ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO DEPARTAMENTO DE...

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO

DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA,

AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL

PROYECTO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN

DEL TÍTULO EN INGENIERÍA

Diseño y Simulación del Sistema de Control y Monitoreo de Nivel y

Flujo de Agua para el Proceso de Perforación en la Fase de Exploración

Minera del Proyecto IAMGOLD Quimsacocha

Cristian Rafael Vallejo Carpio

SANGOLQUÍ – ECUADOR

2008

CERTIFICACIÓN

Certificamos que el presente proyecto fue realizado en su totalidad por el señor Cristian

Rafael Vallejo Carpio, como requisito parcial para la obtención del Título en

INGENIERÍA ELECTRÓNICA, AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL.

_____________________ _____________________

Ing. Hugo Ortiz Ing. Wilson Yépez

DIRECTOR CODIRECTOR

AGRADECIMIENTO

Un agradecimiento especial a la empresa IAMGOLD Ecuador S.A., por el auspicio

brindado para el desarrollo de este proyecto.

Al señor Ing. Hugo Ortiz, Director del Proyecto de Grado y al señor Ing. Wilson Yépez,

Codirector; por sus comentarios, correcciones y sugerencias para la finalización de este

propósito.

DEDICATORIA

Este trabajo esta dedicado a mi familia por todo el apoyo brindado para la culminación de

mi carrera profesional.

PRÓLOGO

El Sistema de Control y Monitoreo de Nivel y Flujo de agua es un proyecto

desarrollado con el objeto de implementar un circuito de reciclaje de líquido para el

proceso de perforación en un régimen automatizado, que realiza las tareas de acumulación

y reciclaje del líquido utilizado en las actividades de exploración minera en el proyecto

Quimsacocha, de la empresa IAMGOLD S.A.

Este Sistema está controlado mediante un PLC de la marca TELEMECANIQUE,

modelo TWIDO, que realiza las acciones de control y monitoreo para los distintos

dispositivos del sistema automatizado, manipulando sus diferentes prestaciones para los

parámetros requeridos por el proceso.

El diseño y la simulación están integrados mediante la plataforma de interface

Intouch Versión 9.5, que brinda la posibilidad de realizar control y monitoreo en tiempo

real de dicho proceso.

El Sistema de Control cuenta con un mando de operación en el sitio del proceso

mediante un tablero de control para el operario; pero además ofrece la posibilidad de una

conexión remota mediante el protocolo de comunicación Modbus y una interface HMI con

pantallas de ingeniería que se integran al control y supervisión de las variables

involucradas en el sistema.

ÍNDICE

CERTIFICACIÓN………………………….……………………………………. II

AGRADECIMIENTO……………………………………………………………. III

DEDICATORIA……………………………………………………….................. IV

PRÓLOGO…………………………………………………………….................. V

ÍNDICE………………………………………………………………………….... VI

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN........................................................................... 1

1.1 SISTEMA DE PERFORACIÓN Y LA UTILIZACIÓN DE AGUA…………… 2

1.2 REVISIÓN HISTÓRICA………………….…………………………………….. 3

CAPÍTULO 2. PROCESO DE EXPLORACIÓN MINERA…………………... 6

2.1 PERFORACIÓN POR ROTACIÓN ABRASIVA…………………………….. 7

2.1.1 Muestras obtenidas por rotación……………………………………………… 9

2.2 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE PERFORACIÓN………………………… 11

2.2.1 Montaje y propulsión………………………………………………………… 11

2.2.2 Unidad de potencia…………………………………………………………… 11

2.2.3 Mecanismo de rotación………………………………………………………. 12

2.2.4 Mecanismo de empuje……………………………………………………….. 12

2.2.5 Sistema de barrido…………………………………………………………… 13

2.2.6 Descripción técnica del equipo de perforación……………………………… 13

2.2.7 Herramientas de perforación………………………………………………… 16

2.3 VARIABLES DE LA OPERACIÓN DE PERFORACIÓN………………….. 18

2.3.1 Velocidad de rotación……………………………………………………….. 19

2.3.2 Fuerza de empuje y diámetro de perforación……………………………….. 20

2.3.3 Velocidad y caudal del fluido de barrido de partículas……………………… 21

2.3.4 Velocidad del fluido…………………………………………………………. 21

2.3.5 Caudal del fluido…………………………………………………………….. 23

2.3.6 Desgaste de la herramienta de perforación………………………………….. 24

2.3.7 Consumos de energía………………………………………………………... 24

2.3.7.1 Energía consumida por la rotación………………………………………... 24

2.3.7.2 Energía consumida por el sistema de empuje……………………………... 26

2.4 CIRCUITO DE RECICLAJE DE AGUA DE PERFORACIÓN……………... 28

CAPÍTULO 3. INSTRUMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL…… 31

3.1 ESTRATEGIAS Y PARÁMETROS PARA EL CONTROL AUTOMÁTICO 35

3.2 SENSORES Y TRANSMISORES…………………………………………….. 38

3.2.1 Sensores y Transmisores de Flujo……………………………………………. 39

3.2.1.1 Características y definiciones…….………………………………………… 40

3.2.1.2 Funcionamiento…………………………………………………………….. 41

3.2.1.2.1 Sensores de flujo basados en la caída de presión………………………… 41

3.2.1.2.2 Sensores basados en la velocidad de flujo………………………………. 45

3.2.1.3. Selección…………………………………………………………………... 50

3.2.2 Sensores e Interruptores de Nivel……………………………………………. 55

3.2.2.1 Características y definiciones………………………………………………. 56

3.2.2.2 Funcionamiento…………………………………………………………….. 57

3.2.2.2.1 Instrumentos de medición directa………………………………………... 57

3.2.2.2.2 Instrumentos basados en la presión hidrostática…………………………. 58

3.2.2.2.3 Instrumentos basados en el desplazamiento……………………………... 63

3.2.2.2.4 Instrumentos basados en características eléctricas del líquido…………... 65

3.2.2.3 Selección…………………………………………………………………… 70

3.3 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL…………………………………….. 73

3.3.1 Válvulas de control…………………………………………………………... 73

3.3.1.2 Especificación de válvulas…………………………………………………. 75

3.3.1.3 Funcionamiento…………………………………………………………….. 75

3.3.1.4 Selección. Dimensionamiento de válvulas de control……………………… 78

3.3.1.5 Característica del Flujo…………………………………………..…………. 80

3.3.2 Bombas de Accionamiento Eléctrico…………………………………………. 83

3.3.2.1 Características………………………………………………………………. 83

3.3.2.2 Motor Eléctrico………………………………………………………………. 84

3.3.2.3 Funcionamiento………………………………………………………….…... 87

3.3.2.4 Selección…………………………………………………………………...... 92

CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL…………………….... 96

4.1 CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO………………………………………. 98

4.1.1 Selección de la acción del controlador………………………………………... 98

4.1.2 Variaciones………………………………………………………………….... 98

4.1.3 Características del proceso y controlabilidad……………………………….... 99

4.1.4 Variables……………………………………………………………………… 100

4.1.5 Modelamiento matemático…………………………………………………… 101

4.2 MÉTODOS PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE CONTROL…………... 108

4.2.1 Sistemas de control por retroalimentación…………………………………... 111

4.2.1.1 Control de Encendido/Apagado o Control On/Off………………………... 112

4.2.1.2 Controlador proporcional………………………………………………...... 114

4.2.1.3 Controlador integral……………………………………………………….. 115

4.2.1.4 Controlador derivativo…………………………………………………….. 116

4.2.1.5 Controlador proporcional-integral………………………………………… 116

4.2.1.6 Controlador proporcional-derivativo……………………………………… 117

4.2.1.7 Controlador proporcional integral derivativo……………………………... 118

4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL Y FLUJO DEL PROCESO 118

4.3.1 Diseño del Sistema de Control de Nivel de Líquido………………………… 120

4.3.1.1 Consideraciones de diseño………………………………………………… 120

4.3.2 Diseño del Sistema de Control de Flujo de Líquido………………………… 123

4.3.2.1 Consideraciones de diseño………………………………………………… 123

4.4 DIAGRAMA DE INSTRUMENTACIÓN Y PROCESO…………………….. 126

CAPÍTULO 5. EL CONTROLADOR PROGRAMABLE…………………….. 127

5.1 SELECCIÓN DEL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE………… 127

5.1.1 Factores Cuantitativos……………………………………………………….. 128

5.1.2 Factores Cualitativos………………………………………………………… 130

5.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Y FUNCIONAMIENTO……………….. 131

5.2.1 Información General………………………………………………………… 131

5.3 CONFIGURACIÓN DEL CONTROLADOR………………………………... 132

5.4 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN TWIDO SUITE………………………. 132

5.4.1 Configuración mínima…………………………………………………….... 133

5.5 PROGRAMACIÓN BASADA EN LÓGICA DE ESCALERA……………... 134

5.5.1 Reticulado de programación………………………………………………... 134

5.5.1.1 Secciones y subrutinas……………………………………………………. 136

5.5.1.2 Cabeceras de escalón……………………………………………………... 136

5.5.1.3 Bloques de diagramas Ladder……………………………………………. 136

5.5.1.4 Contactos, bobinas y flujo de programas……………………………….... 136

5.5.1.5 Bloques de función.…………………………………………………….... 136

5.5.1.6 Bloques de comparación………………………………………………..... 137

5.5.1.7 Bloques de operación…………………………………………………..... 137

5.6 PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN MODBUS RTU/ASCII………...…. 137

5.6.1 Comunicaciones ASCII…………………………………………………… 139

5.6.2 Comunicaciones Modbus……………………………………………...….. 141

5.6.2.1 Modbus Master……………………………………………………...…... 143

5.6.2.2 Modbus Slave……………………………………………………...……. 145

5.6.2.3 Características de Transmisión…………………………………...……... 146

5.7 DESARROLLO DEL PROGRAMA………………………………………... 146

5.7.1 Lógica de Control………………………………………………………….. 151

5.7.1.1 Sección 1. Control de Nivel: Modo Manual……………………………... 151

5.7.1.2 Sección 2. Control de Nivel: Modo Automático………………………… 153

5.7.1.3 Sección 3. Control de Flujo: Controlador tipo PI………………………... 154

5.7.1.4 Sección 4. Salidas del Controlador………………………………………. 156

5.7.1.5 Sección 5. Conexiones con Intouch: Entradas…………………………… 159

5.7.1.6 Sección 6. Conexiones con Intouch: Salidas…………………………….. 161

5.8 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES………………………………….. 164

CAPÍTULO 6. DESARROLLO DE LA INTERFACE HMI………………… 166

6.1 DESCRIPCIÓN DE LA INTERFACE………………………………………. 167

6.2 PROGRAMACIÓN………………………………………………………….. 179

6.3 FUNCIONES DE CONTROL Y MONITOREO……………………………. 187

6.3.1 Entorno de Desarrollo: WindowMaker……………………………………. 187

6.3.2 Definición de Tagnames…………………………………………………… 188

6.3.3 Scripts……………………………………………………………………… 190

6.3.4 Alarmas y Eventos………………………………………………………… 190

6.3.5 Tendencias históricas y de tiempo real……………………………………. 193

6.3.6 Gestión con SQL…………………………………………………………... 195

6.3.7 Comunicaciones…………………………………………………………… 196

CAPÍTULO 7. SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS…………. 199

7.1 SIMULACIÓN……………………………………………………………… 199

7.1.1 Maqueta del Circuito de Reciclaje de Agua………………………………. 199

7.1.2 Panel de Control…………………………………………………………... 201

7.2 PRUEBAS Y RESULTADOS……………………………………………… 203

7.3 ANÁLISIS COSTO – BENEFICIO………………………………………... 207

7.3.1 Análisis de prefactibilidad………………………………………………... 207

7.3.2 Análisis Costo-Efectividad……………………………………………….. 208

7.3.3 Inversión Inicial…………………………………………………………... 209

7.3.4 Método de Retorno de Inversión…………………………………………. 215

7.3.4.1 Primer Escenario………………………………………………………... 216

7.3.4.2 Segundo Escenario……………………………………………………… 217

7.3.4.3 Tercer Escenario………………………………………………………... 218

CAPÍTULO 8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………….. 220

8.1 CONCLUSIONES………………………………………………………….. 220

8.2 RECOMENDACIONES……………………………………………………. 222

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………….. 224

ANEXOS

ANEXO 1. Advertencias y recomendaciones para el uso del autómata Twido

ANEXO 2. Certificaciones del autómata y sus módulos de extensión

ANEXO 3. Tabla de Indicadores para el enlace HMI-PLC

ANEXO 4. Tabla de direcciones usadas en la Lógica de programación

ANEXO 5. Diagramas de Instrumentación y Proceso

ANEXO 6. Plano de la Maqueta para la Simulación del Circuito de Reciclaje de Agua

ANEXO 7. Diagrama Eléctrico del Panel de Control

ANEXO 8. Diagrama de Gantt para el Análisis de tiempo en el proceso de prefactibilidad

CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN

1

CAPÍTULO 1

INTRODUCCIÓN

Los desafíos a los que apunta el desarrollo de tecnologías y software orientados a la

automatización de la Industria Minera son los de contar con una mayor integración de la

multiplicidad de datos involucrados en el proceso en sus diferentes etapas, de manera que

los antecedentes relevantes puedan ser compartidos por los diferentes actores. Además, se

busca disponer de esta información en tiempo real, a fin de ejercer una debida gestión

sobre el proceso de exploración en el que actualmente se encuentra la Empresa IAMGOLD

S.A, por medio del control y monitoreo de las variables involucradas.

El proyecto Quimsacocha con un enfoque de responsabilidad social y ambiental

empresarial, desarrolla sus actividades con un manejo sustentable de los recursos de la

zona y en lo que corresponde específicamente al recurso hídrico busca minimizar el

impacto ambiental y cumplir con parámetros técnicos para la instrumentación y puesta en

marcha del proceso tales como las certificaciones de aprobación de los dispositivos (UL,

CE, CSA), certificaciones de trabajo para las áreas peligrosas, grados de protección (IP,

NEMA), normativas para el diseño eléctrico del sistema (EIA, IEC, NEC).

Bajo el estudio de impacto y la obtención de la licencia ambiental, el procedimiento

que sigue el proyecto en la fase de exploración avanzada es un método de perforación

abrasiva, que consiste en el uso de maquinaria de perforación, cuya herramienta de asalto

radica en el uso de brocas huecas cilíndricas, donde su superficie está provista de insertos

de diamantes o llevan una impregnación de este material. Su propósito es perforar la roca

mediante abrasión o alta fricción y su aplicación principal es obtener testigos en sondaje

de la roca para el posterior análisis de sus muestras.


2

1.1 Sistema de perforación y la utilización de agua

En la práctica minera, los sistemas de perforación presentan según el tipo de

herramienta utilizada, muestras intactas o inalteradas de núcleos o testigos. Estas muestras

son recuperadas por la acción rotativa de la corona diamantada que corta los materiales del

subsuelo y que a su vez son alojados en un barril porta testigo que sigue a la corona. Esta

técnica requiere el uso de un flujo controlado de agua más aditivos especiales con el fin de

lubricar, refrigerar la herramienta o sarta de perforación y limpiar el pozo de sedimentos y

recortes de perforación, como también el de estabilizar las paredes del pozo.

Con este fin se ha implementado un circuito cerrado de reciclaje de agua, controlado

manualmente, que toma el líquido desde una vertiente del sector con una bomba centrífuga

y que conecta diferentes tinas de procesos en serie que permiten filtrar, sedimentar y

eliminar sólidos en suspensión en base a floculantes, bentonita y polímetros; y a su vez

poder reutilizar el agua dentro el proceso. Con la intención de causar el menor impacto

posible, el agua que ha sido recuperada del proceso, previo a un estudio ambiental, se

deposita en el sector de regeneración.

El circuito cerrado de reciclaje de agua es controlado mediante válvulas manuales,

que permiten el manejo del nivel del líquido en la tina de acumulación. Este líquido se

conduce por tubería hacia el sistema de inyección de agua a presión del equipo de

perforación y dicho circuito permite también la reutilización del agua contenida en la tina

del líquido reciclado. Flujómetros de funcionamiento mecánico permiten el control y

monitoreo del agua que ingresa hacia el sistema de inyección del equipo de perforación.

Los datos del flujo monitoreado por el operador sirven para determinar los parámetros

técnicos que se utilizan para el proceso de perforación.

La importancia del control de nivel de líquido es la de garantizar un flujo

permanente hacia el proceso, para el correcto desempeño de la herramienta de perforación,

tomando en cuenta los parámetros de lubricación, refrigeración y eliminación de

sedimentos. Por otro lado, el control de flujo de agua adecuado, es necesario e importante

por la responsabilidad que tiene la empresa para utilizar el recurso hídrico de forma


3

mesurada, causar el menor impacto ambiental posible, cumplir con las normas y leyes

ambientales y también asegurar un proceso de perforación adecuado por el alto costo de

sus herramientas.

El desarrollo de este proyecto implica profundizar el conocimiento, identificar

claramente el proceso y las variables requeridas para la actividad de perforación dentro de

la fase de exploración. Todo esto con el objeto de contar con los medios adecuados que

permitan un diseño con la calidad requerida para una gestión óptima.

En busca de este desarrollo se plantea en este proyecto una propuesta que permitirá

automatizar este proceso, justificando todos los parámetros requeridos, tanto para el

control de nivel y flujo de agua en las tinas que se utilizan para el proceso de perforación y

reciclaje, así como también para el monitoreo de las variables de control por su

importancia en la investigación del proceso de perforación.

1.2 Revisión histórica1

Los primeros datos sobre la existencia de minerales en la zona fueron entregados por

una misión de las Naciones Unidas en el año de 1969. Los técnicos de dicha misión

descubrieron comportamientos geoquímicas de metales base, en los sectores de Jordania y

Loma Tasqui, ubicados en lo que actualmente corresponde a la concesión del proyecto.

Entre el año de 1992 y 1993 la compañía COGEMA detectó presencia de oro en los

sedimentos fluviales cercanos a la caldera Quimsacocha, efectuando trabajos de mapeo y

exploración. En 1993 esta empresa se asoció mediante la estrategia Joint Venture con las

compañías Newmont y TVX para continuar las exploraciones, pero a finales de 1997 se

estimó que el proyecto tenía aproximadamente 350.000 onzas de oro para la explotación,

lo que no ameritaba seguir con la inversión de riesgo por lo que Newmont y TVX dejaron

la sociedad y sus actividades de exploración.

1 Revisión obtenida del informe de Auditoria Ambiental de la empresa AMBIGEST CIA. LTDA.


4

El 11 de Octubre del 2002, el Ministerio del Ambiente otorga la primera licencia

ambiental en la historia minera del Ecuador a la compañía IAMGOLD ECUADOR S.A.,

para que desarrolle actividades de exploración avanzadas en las áreas de Cerro Casco y Río

Falso (Proyecto Quimsacocha), las mismas que se encuentran ubicadas dentro del Bosque

Protector cuenca del Río Paute y microcuenca del Río Yanuncay.

El Proyecto de Exploración Minera Quimsacocha se encuentra ubicado en la

provincia del Azuay, a 30 kilómetros al suroeste de Cuenca, en los altos de la Cordillera

Occidental, a una altura aproximada de 3.800 metros sobre el nivel del mar.

Como se observa en la Figura 1.1, el área de influencia abarca los cantones Cuenca,

Girón y San Fernando, específicamente las parroquias Victoria de Portete, Tarqui, Baños,

San Gerardo y Chumblín.

Dos de las áreas del proyecto se localizan en el bosque protector Irquis-Yanuncay,

en la cuenca alta del río Paute, el área Cerro Casco está totalmente dentro del bosque,

mientras que el área Río Falso en forma parcial.

El proyecto se divide en cuatro concesiones: Cerro Casco, Río Falso, San Martín y

Cristal, con un total de 12.967 hectáreas. Los trabajos de exploración se concentran en 120

hectáreas correspondientes a la concesión Río Falso, donde la compañía ha efectuado más

de 200 perforaciones para extraer las muestras o testigos.


5

Figura 1.1. Mapa Geográfico de la Zona de Exploración

La empresa IAMGOLD S.A. apunta a iniciar la producción del proyecto

Quimsacocha, a mediados del 2009. El estudio inicial se basó en un recurso calculado en

2,8 millones de onzas de oro en octubre del 2005. Actualmente, se esta buscando actualizar

el recurso, con el fin de incluir los últimos resultados de perforación, de los cuales, un 80%

son de perforaciones realizadas a lo largo de la mineralización.

CAPITULO 2 PROCESO DE EXPLORACIÓN MINERA 6

CAPÍTULO 2

PROCESO DE EXPLORACIÓN MINERA

La exploración de los yacimientos minerales es una actividad de alto riesgo

económico, ya que supone inversiones a largo plazo que muchas veces se sustentan en

precios del producto minero sujetos a altas oscilaciones. A su vez, la fase de explotación

supone también un elevado riesgo económico, derivado éste del hecho de que los gastos

solamente se recuperan en caso de que la exploración tenga éxito y la explotación minera

sea fructífera. Sobre estas bases, es fácil comprender que la exploración supone la partida

de la industria minera, ya que debe permitir la localización de los recursos mineros al

mínimo coste y cumplir con todos los requerimientos ambientales para causar el menor

impacto posible.

La base de cualquier trabajo bien hecho es la planificación de las actividades a

realizar; así, en Investigación Minera se suele subdividir el trabajo en tres etapas

claramente diferenciadas, de forma que solamente se aborda la siguiente en caso de que la

anterior haya cumplido satisfactoriamente los objetivos previstos. Aunque pueden recibir

distintos nombres, en términos generales se trata de una fase de preexploración, una de

exploración propiamente dicha y otra de evaluación. Si incluso ésta última alcanza los

resultados previstos se realiza un nuevo estudio de viabilidad económica.

La preexploración tiene por objeto determinar si una zona concreta, normalmente de

gran extensión, presenta posibilidades de que exista un tipo determinado de yacimiento

mineral. Esto se establece en función de la información que se disponga sobre ese tipo de

yacimiento y sobre la geología de la región de estudio. Suele ser un trabajo

fundamentalmente de investigación, en el que se cuenta con el apoyo de información

bibliográfica, mapas, fotos aéreas, imágenes de satélite, etc., aunque puede incluir alguna

salida al campo para reconocer las zonas de mayor interés.


En la fase de exploración, una vez establecidas las posibilidades de la región

estudiada, se pasa a la investigación sobre el terreno. En esta fase se aplica las diversas

técnicas disponibles para llevar a cabo el trabajo de la forma más completa posible. Su

objeto final debe ser corroborar o descartar la hipótesis inicial de existencia de

mineralizaciones del tipo prospectado.

Una vez detectado una mineralización de interés, es decir, en la que se observa

caracteres que permiten suponer que pueda llegar a ser explotada, se lleva a cabo su

evaluación o valoración económica. A pesar de lo que pueda parecer, los datos de ésta no

son aún concluyentes, y debe ir seguida, en caso de que la valoración económica sea

positiva, de un estudio de viabilidad, que contemple todos los factores geológicos, mineros,

sociales, ambientales, etc., que puedan permitir o no, que una explotación se ejecute.

Los métodos de sondeo utilizados en las exploraciones tienen por objeto el estudio de

un determinado terreno o formación, proporcionando los siguientes datos:

• Litología, mediante el estudio del tamaño de las partículas de la roca y sus

características físicas y químicas, obtención de testigos y registros de sus

propiedades.

• Presiones de formación y niveles piezométricos de los distintos acuíferos cortados.

• Propiedades físicas de las rocas tales como porosidad, permeabilidad, temperatura,

existencia de fluidos, características mecánicas, etc.

• Propiedades químicas de los fluidos contenidos en la roca, salinidades, efectos

corrosivos o incrustantes, concentraciones de diferentes elementos, composición

isotópica.

2.1 PERFORACIÓN POR ROTACIÓN ABRASIVA

Para la realización de los sondeos para la obtención de muestras existen diversos

métodos de perforación, que se adaptan de distintas maneras a las condiciones de cada

caso. Básicamente todos los métodos se pueden incluir en dos grupos, diferenciados por el

sistema de trabajo de la herramienta de corte, que son percusión y rotación. El método

utilizado en la fase de exploración minera del proyecto Quimsacocha es la perforación por


rotación abrasiva, debido a su eficacia en la obtención de testigos intactos para el estudio

de las propiedades mineralógicas de las muestras obtenidas.

Los sondeos perforados durante las fases de investigación deben atender a diferentes

propósitos. Cada uno de ellos exige diferentes especificaciones en cuanto a situación,

orientación, profundidad, diámetro y tipos de muestras que han de recogerse. La selección

del método de perforación y ensayos debe adaptarse a las necesidades de cada caso

particular. Los ensayos, testificación y muestreo también caracterizan las condiciones

naturales del agua subterránea y del sistema que las contiene. Sin embargo, la propia

perforación altera las condiciones naturales originales por acción de los fluidos de

perforación y de los ripios generados. Ambos contaminan el agua subterránea y alteran las

propiedades hidráulicas del sistema. Es también frecuente que el sondeo perforado sirva de

conexión entre sistemas hidráulicos con diferentes niveles piezométricos, provocando

movimientos de agua subterránea entre unidades diferentes. En la fase de exploración del

proyecto Quimsacocha se conoce y se cuantifica los efectos de estas perturbaciones, de tal

manera que se busca desarrollar metodologías y sistemas de perforación que minimicen la

alteración del estado natural.

Por otro lado, la correcta selección de la corona y del equipo de perforación es de

suma importancia dado que debe ser compatible con el terreno a perforar para poder

obtener testigos de calidad y completar los requerimientos técnicos y de cronograma de la

investigación geotécnica. Una incorrecta selección de los elementos antes indicados

conllevará a un trabajo de baja calidad recuperando testigos alterados, con poco

rendimiento y alto desgaste de las coronas, redundando finalmente en un excesivo costo de

la investigación y no cumplir con los objetivos planteados.

El fluido de perforación bombeado desde la superficie hasta la corona por dentro del

tren de porta testigos, lubrica y refrigera la herramienta cortante mientras simultáneamente

lava la perforación de los detritos y los conduce a la superficie entre las paredes de la

misma y el tren porta testigos.


El agua es el fluido generalmente utilizado mientras que los restantes fluidos de

perforación consisten en soluciones de agua con bentonita y aditivos como el cloruro de

sodio, la baritina, espumas y polímeros. Estos últimos tienen la ventaja frente al agua,

como único medio de inyección, de que permiten la remoción de los detritos de

perforación a baja velocidad produciendo nula o poca perturbación dentro de la

perforación. Esta situación resulta crítica cuando el material es blando, se encuentra muy

alterado, está fisurado y se desea recuperar el testigo con el material fino contenido dentro

de las fisuras o si la formación no está cementada.

Las perforaciones por rotación pueden ser consideradas como operaciones de

dificultad, donde el éxito de éstas estará basado por un lado, en los equipos utilizados y su

estado de mantenimiento y por el otro, en la técnica empleada por el perforista, su

experiencia y su habilidad. Estas últimas consideraciones son primordiales cuando la

formación es parcialmente cementada, alterada, fracturada o blanda y se desea obtener un

testigo de carrera completa y de adecuadas condiciones de calidad para su clasificación,

descripción y posteriores ensayos de laboratorio.

2.1.1 Muestras obtenidas por rotación

La evolución de las técnicas de toma de testigos ha seguido dos tendencias. La

convencional con empleo de porta testigos de doble tubo, acoplada al varillaje de

perforación y la de wireline o extracción de testigo con cable.

En la primera técnica, la herramienta se instala directamente sobre la sarta de

perforación para obtener el testigo. Constan de dos tubos: la barra exterior y el tubo porta

testigos, que van montados mediante una cabeza que permite que el porta testigos

permanezca estático durante la rotación de la barra exterior, alojando y protegiendo el

testigo de los esfuerzos surgidos durante la perforación.

Las barras pueden ser extraídas relativamente rápido si se emplean sistemas

avanzados de manejo del varillaje. La proporción de testigo recogido frente a roca

perforada es alta; por ejemplo, una herramienta abrasiva convencional de 72 mm de


diámetro permite obtener testigos de 62mm de diámetro; como es lógico, se debe sacar la

sarta cada vez que el porta testigos ha penetrado toda su longitud en la formación.

Generalmente se utiliza como porta testigo, un tubo de plástico rígido de poli cloruro de

vinilo (PVC).

En la perforación mediante wireline, actualmente utilizada para el proceso de

exploración del proyecto Quimsacocha, la tubería interior es independiente de la

herramienta y puede extraerse mediante un sistema de anclaje por cable. Por ello no es

necesario detener toda la maniobra cada vez que se completa la muestra en el porta testigo.

Sus dimensiones deben ser suficientemente pequeñas para poder pasar por el interior del

tubo de perforación que sustituye al varillaje.

La extrusión del testigo debe ser realizada preferentemente en el mismo sentido en

que éste entró en el porta testigos. Los extrusores son del tipo a pistón por acción

hidráulica (agua o aceite), por cuanto se pueden estropear las muestras durante la

aplicación de grandes esfuerzos en el proceso de extrusión.

En el caso de rocas blandas, alteradas por intemperización o con fallas, se deberá

tener presente que la extrusión puede afectarlas aunque la tarea sea hecha con cuidado. La

utilización de un tubo guía de plástico transparente y de baja fricción por dentro del porta

testigos, permite solucionar gran parte de los problemas asociados con la extrusión de

testigos de roca obtenidos por rotación. Asimismo, facilita la protección del testigo durante

el manipuleo y transporte al laboratorio.

Las cajas porta-testigo y las divisorias deben ser de tales dimensiones que garanticen

la inmovilidad de los testigos con el fin de evitar dañarlos durante el transporte. Dichas

cajas deberán estar diseñadas para poder soportar el peso de la misma al estar llenas de

testigos de roca y ser lo suficientemente livianas como para poder ser levantadas para su

transporte.


2.2 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO DE PERFORACIÓN

2.2.1 Montaje y propulsión

Se utilizan dos sistemas de montaje, sobre orugas o sobre neumáticos; los factores

que influyen en la elección son las condiciones del terreno y principalmente el grado de

movilidad requerido. Mientras están perforando, estos equipos se apoyan sobre tres o

cuatro patas hidráulicas, que además de soportar su peso sirven para nivelar la máquina.

El montaje sobre orugas se utiliza preferentemente en las grandes minas a cielo

abierto, donde los requerimientos de movilidad son escasos. Su limitación en cuanto a

menor velocidad de traslación, 10 a 15 km/h, es poco relevante cuando el equipo

permanece durante largos períodos de tiempo operando en un mismo banco o sector de la

mina.

En procesos de tamaño mediano, donde se requiere un desplazamiento más frecuente

y ágil del equipo, se prefiere el montaje sobre neumáticos. Estos equipos van montados

sobre un camión de dos o tres ejes los más livianos, y sólo los de mayor tamaño se

construyen sobre un chasis de cuatro ejes. Su velocidad media de desplazamiento es del

orden de 20 a 30 km/h.

2.2.2 Unidad de potencia

La fuente primaria de potencia utilizada por estos equipos puede ser eléctrica o

motores diesel, y su aplicación se realiza mediante mecanismos de transmisión mecánicos

e hidráulicos. Los equipos que perforan diámetros superiores a nueve pulgadas, grandes

minas a cielo abierto, por lo general son alimentados por energía eléctrica suministrada a la

máquina mediante un cable que la conecta con subestaciones ubicadas al interior del

espacio utilizado para el proceso de perforación, a estos se les denomina equipos

fullelectric.


En el caso de perforadoras de menor tamaño, montadas sobre un camión, la fuente de

energía es uno o dos motores diesel. En el primer caso, se trata del mismo motor que

acciona el vehículo; pero en la actualidad se prefiere, por su mayor eficiencia, la segunda

configuración, dada las diferentes características de los motores requeridos. También

existen versiones diesel-eléctricas, diseñadas para minas de gran producción que no

disponen de suministro de energía eléctrica.

2.2.3 Mecanismo de rotación

El torque de rotación se transmite a la herramienta por intermedio de la columna de

barras. El accionamiento del sistema lo provee un motor eléctrico o hidráulico montado

sobre el cabezal deslizante. En los equipos de mayor tamaño, se utiliza preferentemente un

motor eléctrico de corriente continua con su eje en posición vertical, que permite una fácil

regulación de la velocidad de rotación en un rango entre 0 a 1500 rpm. Los equipos

montados sobre un camión, con unidad de potencia diesel, utilizan un motor hidráulico que

opera en circuito cerrado con una bomba de presión constante y un convertidor de torque,

que permite variar la velocidad de rotación.

2.2.4 Mecanismo de empuje

Para obtener un efecto de penetración eficiente es preciso aplicar una fuerza de

empuje que depende de la resistencia de la roca y del diámetro de perforación.

Prácticamente, casi sin excepciones, esta fuerza de empuje se obtiene a partir de un motor

hidráulico.

Por lo general el mecanismo de empuje está diseñado para aplicar una fuerza del

orden de un 50 % del peso de la máquina, y los equipos de mayor tamaño que operan hoy

en día alcanzan un peso de hasta 120 toneladas. El sistema, además, permite accionar el

izamiento de la columna de barras, a velocidades de elevación del orden de 20 m/min.


2.2.5 Sistema de barrido

El barrido del detritus de la perforación se realiza mediante la inyección de agua a

presión, para lo cual el equipo está dotado de uno o dos compresores ubicados en la sala de

máquinas del equipo de perforación.

Mediante un tubo flexible se inyecta el flujo del líquido a través del cabezal de

rotación, por el interior de la columna de barras hasta el fondo del rig de perforación.

Dependiendo de la longitud de los tiros a lo largo de la penetración, la presión requerida se

ubica entre un rango de 2 a 4 Bares.

2.2.6 Descripción técnica del equipo de perforación

En las tablas 2.1 hasta 2.6 se especifica la información técnica del equipo de

perforación de la firma Klunne2, según los parámetros de cada parte del equipo.

Tabla 2.1. Capacidades del equipo de perforación

Capacidad

Capacidad de profundidad para la perforación diamantada

Herramienta de 55,6 mm de diámetro 800m *

Herramienta de 69,9 mm de diámetro 450m *

Herramienta de 88,9 mm de diámetro 200m

Herramienta de 117,5 mm de diámetro 70m

* Dimensión recomendada para máximo funcionamiento

Dimensiones especificadas de acuerdo al funcionamiento

del motor de perforación de combustión diesel:

Potencia: 130 HP (97 Kw) a 2100 rpm

Se calcula la capacidad de

perforación en un ángulo de

perforación de 90 grados

hacia la parte baja. La

capacidad puede variar

según la herramienta,

condiciones del terreno,

técnicas de perforación y los

equipos utilizados.

2 Contratista de la empresa IAMGOLD S.A. para las actividades de perforación


Tabla 2.2. Malacate wireline del equipo de perforación

Malacate wireline

El malacate wireline esta accionado por un motor de combustión diesel de 100HP que

provee una velocidad variable según las necesidades del operador.

Capacidad para cable de 3/16 pulg.

(4.8mm) de diámetro

915 m

Capacidad de arrastre vacío 907 kg

Capacidad de arrastre lleno 295 kg

Tabla 2.3. Módulo hidráulico del equipo de perforación

Modulo hidráulico

El módulo hidráulico utiliza solamente la cantidad necesaria de aceite hidráulico porque

cuenta con un sistema de detección de carga. Este modulo es enfriado con el agua que se

utiliza para el proceso de perforación. Los controles están montados directamente sobre

los controles de distribución hidráulica reduciendo la complejidad de pilotaje, el peso

total y el mantenimiento. El tanque hidráulico esta presurizado y ensamblado con un

filtro que permite el flujo de aceite limpio y exento de contaminación.

Funciones: Cabeza giratoria flotante

Límite de torque sobre la cabeza giratoria y el cilindro de alimentación

Bomba hidráulica: 65 qpm(246 l/min) a 1800 rpm. Presión máxima 4000 psi (275 bares)

Tabla 2.4. Mástil y base de posicionamiento del equipo de perforación

Mástil de alimentación y base de posicionamiento

El mástil esta formado por una carretilla de rodamientos accionada por un cilindro

hidráulico. La base se conforma por varios puntos de anclaje, permitiendo un montaje

óptimo sobre la plataforma de perforación. El deslizador permite posicionar al mástil a la

altura deseada.

Recorrido de la cabeza 1,68 m

Capacidad de arrastre y de empuje 18.000 lb (8.300 kg) @ 4.000 psi

Velocidad de arrastre y de descenso 61 m/min


Tabla 2.5. Cabeza y mandriles del equipo de perforación

Cabeza, mandril rotatorio y mandril fijo

Capacidad de retención 20.000 lb (9.000 kg)

Diámetro interior del tubo conductor 124 mm

Operación de mandril Aprieta y afloja hidráulicamente

Impulsión Cadenas HV 60-2 en tanque de aceite

Motor hidráulico 80cc (variable)

Transmisión Hi –Lo

Lubricación Presurizada con bomba, filtro y enfriador

Material de fabricación Acero

Velocidad 0 hasta 1500 rpm

Transmisión

Velocidad Rpm Toque

Lo 0 - 361 2.840 N-m

Hi 0 – 1500 820 N-m

Datos considerando un motor a 80 cc a una presión de 275 bares (4.000 psi)

Tabla 2.6. Peso del equipo de perforación

Peso

Unidad de alimentación (motor diesel) 1550 lb (703 kg)

homba hidráulica y tanque 1150 lb (522 kg)

Panel de control 510 lb (231 kg)

Cabeza de perforación 390 lb (177 kg)

Motor de la cabeza 70 lb (32 kg)

Transmisión de la cabeza 85 lb (39 kg)

Mandril fijo 200 lb (90 kg)

Mástil de alimentación 1200 lb (544 kg)

Base de mástil 500 lb( 227 kg)

Malacate wireline (incluido motor) 460 lb (208 kg)

Peso total: 6108 lb (2770 kg)


En la Figura 2.1 se observa el equipo utilizado para el proceso de perforación en la

fase de exploración minera del proyecto Quimsacocha.

Figura 2.1. Equipo utilizado para la perforación

2.2.7 Herramientas de perforación

Las brocas huecas utilizadas para la perforación minera en la fase de exploración,

tienen una estructura en forma de corona, usando diamantes naturales en la superficie de

las diferentes herramientas o alta calidad de diamantes sintéticos generalmente usados

para impregnación, es decir, este tipo de herramientas se clasifican por utilizar diamante en

la superficie o por tener impregnación de diamante en su corona, como se puede apreciar

en la Figura 2.2.

La primera clasificación se caracteriza porque sus promedios de penetración en

ciertas formaciones de roca son superiores en comparación con las de las brocas

impregnadas. Estas pueden alcanzar bajos costos por metro perforado en formaciones

consolidadas, lo que significa menor desgaste de la herramienta. Una de las características

más importantes de esta broca es la recuperación de sus contenidos en formaciones

litológicas suaves.


La clasificación que corresponde a las brocas de diamantes impregnados, se

caracterizan porque generalmente duran más que los juegos de brocas de superficies. Estas

herramientas son menos propensas a dañarse por tratamiento duro y son utilizables en su

totalidad, debido a que no requieren tornar su corona para recuperar los diamantes

impregnados, contrario a las brocas con diamantes en la superficie de abrasión que

necesitan recuperar el diamantado cuando este ha sido desgastado.

Según el tipo de roca y las condiciones del suelo, las brocas de perforación se

clasifican por series, como se indica en la Tabla 2.7.

Tabla 2.7. Clasificación de las brocas de perforación

TIPO DE ROCA CONDICION DE SUELO SERIES Piedra arenisca gruesa,

arenas, sobrecargas,

conglomerados

Conveniente para severas

condiciones de operación

SER1

Piedra arenisca con granito,

sedimentos resistentes

Abrasivas, formaciones

rotas de grano ordinario

SER2

Pizarras, calcitas, siltstone

Abrasivas y formaciones

rotas

SER4

Sedimento volcánico, gneis,

garbo, esquisto.

Semiduro, rocas menos

abrasivas

SER6

Basalto, dolorita, mafia,

formaciones rocosas duras

Formaciones duras SER8

Granito, cuarzito, diorita

Duras formaciones muy

duras

SER9

Cuarzo, hierro, chert

Formaciones muy duras y

grano fino

SER10

Cuarzo duro, chert duro,

jasperlita

Extremadamente duro, con

formaciones de grano muy

fino

SER12


Figura 2.2. Brocas utilizadas para la perforación

2.3 VARIABLES DE LA OPERACIÓN DE PERFORACIÓN

Las variables de operación inherentes al proceso de perforación que inciden en su

eficiencia son las que se identifican a continuación:

• Velocidad de rotación

• Fuerza de empuje

• Diámetro de perforación

• Velocidad y caudal del fluido de barrido de partículas

• Desgaste de la herramienta de perforación

Es importante destacar que estas variables dependen de un factor externo al sistema, la

dureza o resistencia de la roca. En el caso de la perforación por rotación, la evidencia

empírica indica tanto a partir de las investigaciones a nivel de ensayos, como de lo

observado en la práctica, que existe una buena correlación entre la resistencia a la

compresión de la roca y su velocidad de penetración. Esta afirmación resulta

conceptualmente coherente, atendiendo a la forma como se aplica la energía a la roca y su

consiguiente ruptura originada principalmente por un proceso de perforación abrasiva.

No existe una clasificación universal de las rocas en función de su resistencia a la

compresión, conocida por su nomenclatura como Sc. En la identificación técnica sobre el


tema se encuentran diversas proposiciones; para efectos del análisis de las variables que

influyen en el proceso, que corresponde a este segundo capítulo, se adoptará la

clasificación que se enuncia en la Tabla 2.8.

Tabla 2.8. Clasificación de la dureza de las rocas

TIPO DE ROCA Sc

[ kgp/cm2 ]

Sc

[ MPa ]

Muy blandas < 400 < 40

Blandas 400 – 800 40 – 80

Medianas 800 – 1.200 80 – 120

Duras 1.200 – 2.000 120 – 200

Muy duras > 2.000 > 200

2.3.1 Velocidad de rotación

La velocidad de rotación (N), expresada en rpm, es inversamente proporcional a la

resistencia a la compresión de la roca (Sc). En la Tabla 2.9 se indican las velocidades

observadas en la práctica para los diferentes tipos de rocas identificados anteriormente.

Tabla 2.9. Velocidades de rotación según la dureza de las rocas

TIPO DE ROCA Sc

[ kgp/cm2 ]

N

[ rpm ]

Muy blandas < 400 120 – 100

Blandas 400 – 800 100 – 80

Medianas 800 – 1.200 80 – 60

Duras 1.200 – 2.000 60 – 40

Muy duras > 2.000 40 – 30


2.3.2 Fuerza de empuje y diámetro de perforación

La fuerza de empuje necesaria (F), aumenta directamente con la dureza de la roca, y

debe alcanzar una magnitud suficiente para sobrepasar su resistencia a la compresión. Por

otra parte, esta fuerza no puede exceder un determinado valor límite, para evitar daños

prematuros en la herramienta de perforación.

En formaciones rocosas duras o muy duras, una fuerza excesiva conduce a la

destrucción de los insertos de la corana, lo que significa el término de la vida útil del

instrumento.

A su vez, la mayor o menor resistencia de los insertos en la corona depende del

tamaño de la herramienta o, por consiguiente, del diámetro de perforación. A mayor

diámetro, más grande es la corona de perforación y por consiguiente más robustos y

resistentes son sus insertos. En compendio de lo mencionado, la fuerza de empuje es

función de dos variables: la dureza de la roca y el diámetro de perforación.

Según la dureza de la roca, la fuerza de empuje mínima necesaria para vencer su

resistencia a la compresión, está dada por la ecuación 2.1:

[lbp] 5,28min φ⋅⋅= ScF Ecuación 2.1

Donde: Sc es la resistencia de la compresión de la roca [ MPa ]

Φ es el diámetro de perforación [ pulg ]

La fuerza de empuje se acostumbra a expresarla en libras-peso [lbp] por unidad de

diámetro de la herramienta, expresado en pulgadas.

En la Tabla 2.10 se comparan los valores mínimos que resultan de aplicar la ecuación

anterior con los valores observados en la práctica minera según la dureza de la roca.


Tabla 2.10. Fuerza de empuje según tipo de roca

TIPO DE ROCA Sc

[ kgp/cm2 ]

Fmin

[ lbp / pulg]

Fpráctica

[ lbp / pulg ]

Muy blandas < 400 < 1.150 < 1.500

Blandas 400 – 800 1.150 – 2.300 1.500 – 3.000

Medianas 800 – 1.200 2.300 – 3.400 3.000 – 5.000

Duras 1.200 – 2.000 3.400 – 5.700 5.000 – 7.000

Muy duras > 2.000 > 5.700 7.000 – 9.000

2.3.3 Velocidad y caudal del fluido de barrido de partículas

El agua que se inyecta por el interior de la columna de barras hacia el fondo del

barreno, cumple los siguientes objetivos:

• Refrigeración y lubricación de la herramienta de perforación

• Remoción o barrido del detritus desde el fondo del tiro

• Extracción del detritus hacia afuera

El barrido y extracción del detritus de perforación se realiza a expensas de la energía

cinética del fluido que circula por el espacio anular comprendido entre las barras y las

paredes del pozo. Por lo tanto, la eficiencia del proceso depende, en lo esencial, de la

velocidad del agua (V) en este espacio anular y del caudal (Q) que circula por el sistema.

Por otra parte, la refrigeración de la corona se obtiene por efecto de la expansión o

caída de presión que se produce durante el paso del fluido por la herramienta de

perforación, que a su vez depende de la presión con que llega el agua hacia la corona del

taladro.

2.3.4 Velocidad del fluido

La velocidad ascensional mínima para la extracción del detritus es función de la

densidad de la roca y del tamaño promedio de las partículas.


A continuación se exponen las ecuaciones que permiten estimar esta velocidad.

6,0

1573 d

rrV ×+

×=δδ Ecuación 2.2

O también; 2/12/1250 drV ××= δ Ecuación 2.3

Donde: V es la velocidad ascensional mínima [m /min]

δr es la densidad de la roca [gr/cm3]

d es el diámetro promedio de las partículas [mm]

En etapa de proyecto, las fórmulas anteriores tienen limitadas posibilidades de

aplicación, dadas las dificultades para obtener datos confiables acerca del tamaño

promedio del detritus de perforación. No obstante, según la práctica minera, las

velocidades de fluido atendiendo al tipo de roca, son las que se indican en la Tabla 2.11.

Tabla 2.11. Velocidad ascensional del fluido según el tipo de roca

TIPO DE ROCA VELOCIDAD MÍNIMA VELOCIDAD MÁXIMA

[ m / min] [ m / min] [ m / min] [ m / min]

Blandas 1.200 4.000 1.800 6.000

Medianas 1.500 5.000 2.100 7.000

Duras 1.800 6.000 2.400 8.000

La velocidad ascensional máxima indicada obedece al problema de desgaste de las

barras o tubos de perforación. El flujo de agua que circula por el espacio anular lleva en

suspensión un material que puede ser altamente abrasivo, especialmente si hay presencia

de cuarzo u otros minerales de gran dureza, como ocurre frecuentemente en la minería

metálica. Es sabido que en los fenómenos de flujo de material particulado, el desgaste por

roce es proporcional al de la velocidad de dicho material.


2.3.5 Caudal del fluido

El caudal de agua de barrido de partículas (Q) se calcula a partir de la fórmula básica

que lo relaciona con la sección del ducto de circulación y con la velocidad de flujo.

Q = Área de la sección transversal x Velocidad de flujo

En el caso que aquí se analiza, se obtiene las ecuaciones 2.4 y 2.5 según las unidades

utilizadas:

( ) [ ]min/m 104

36

22

VDQ ××−

=φπ

Ecuación 2.4

( ) /min][pies 1444

322

VDQ ××−

=φπ Ecuación 2.5

Donde: Q es caudal del líquido [m3/min] o [pies3/min]

Φ es el diámetro de la herramienta [mm] o [pulg]

D es el diámetro exterior de las barras [mm] o [pulg]

V es la velocidad del fluido [m/min] o [pies/min]

Otro factor a considerar en relación con este tema, es el área de la sección anular por

donde circula el líquido o, planteado de manera más práctica, se trata de la diferencia entre

el diámetro de perforación y el diámetro exterior de las barras o varillas. Dado que a

medida que aumenta la resistencia de la roca el tamaño del detritus es más pequeño, la

práctica operacional aconseja adoptar los valores dados en la siguiente tabla.

Tabla 2.12. Área de sección anular para la circulación del fluido

TIPO DE ROCA [ Φ- D ]

[pulg] [mm]

Blandas 3 76

Medianas 2 51

Duras 1 ½ 38


2.3.6 Desgaste de la herramienta de perforación

Cuando se utilizan brocas huecas con coronas diamantadas, la velocidad de

penetración disminuye considerablemente a medida que aumenta el desgaste de la

herramienta. En la Figura 2.3 se aprecia que, a la mitad de la vida útil de la herramienta (50

%), la velocidad de penetración se ha reducido, aproximadamente, entre un 50 a un 75 %

con respecto a la alcanzada con una herramienta nueva.

Figura 2.3. Velocidad de penetración Vs. Desgaste de la herramienta

2.3.7 Consumos de energía

Cuando la máquina está perforando los principales consumos de energía son los

vinculados a los siguientes accionamientos:

• Rotación

• Fuerza de empuje

• Otros accionamientos menores

2.3.7.1 Energía consumida por la rotación

Para hacer rotar la columna de barras o varillas, es preciso aplicar una fuerza

tangencial (F). La energía consumida en un giro (Er) es igual al producto de la fuerza por

el desplazamiento recorrido, como se indica en la ecuación 2.6.


m/vuelta][kgp 22 ⋅⋅⋅=⋅⋅×= TRFEr ππ Ecuación 2.6

Donde (T) representa el torque de rotación. Si se considera como unidad de tiempo un

minuto, la potencia requerida (Wr) será por tanto:

m/min][kgp 2 ⋅⋅⋅⋅= TNWr π Ecuación 2.7

Donde (N) es el número de vueltas por minuto [rpm] o velocidad de rotación, que es

inversamente proporcional a la dureza de la roca (Sc).

La ecuación anterior da cuenta de la energía consumida en el fondo del pozo. En el

caso del equipo de perforación, para obtener la potencia aplicada en el motor de rotación

(WMR), es preciso incorporar el rendimiento mecánico de la transmisión (ηmt) y el

rendimiento mecánico del motor (ηmm). Expresada esta potencia en [HP], se obtiene:

[HP] 4500

2

mmmtMR

TNWηη

π⋅⋅⋅⋅⋅

= Ecuación 2.8

Donde:

ηmt es el índice de rendimiento mecánico de la transmisión y varía entre 0,80 a 0,90

ηmm es el índice de rendimiento mecánico del motor y varía entre 0,90 a 0.95

A continuación en la Figura 2.4, se presenta una gráfica que permite el análisis de la

potencia requerida en función del diámetro de penetración y la dureza de la roca.


Figura 2.4. Potencia de rotación en función del diámetro de perforación

2.3.7.2 Energía consumida por el sistema de empuje

La penetración de la herramienta requiere la aplicación de una gran fuerza de empuje

(F); no obstante, la energía consumida por este accionamiento es pequeña comparada con

la rotación. Suponiendo que en un giro, la herramienta avanza una longitud h, la energía

consumida en una vuelta (Ee) será igual al producto de la fuerza por el desplazamiento

recorrido, como se observa en la Figura 2.5, mediante la ecuación 2.9:

m/vuelta][kgp ⋅×= hFEe Ecuación 2.9

Donde: F es la fuerza de de empuje [kgp]

h la longitud que avanza la herramienta [ m]

Figura 2.5. Energía consumida por el sistema de empuje


Si se elige como unidad de tiempo un minuto, la potencia requerida (We) será:

m/min][kgp ⋅×= VaFWe Ecuación 2.10

Donde: Va es la velocidad de avance [m/min].

En la práctica minera, en un rango de diámetros 200 a 300 mm y en rocas medianas a

duras (Sc de 80 a 200 Mpa), se registran velocidades del orden de 20 a 10 m/h. En el caso

de los equipos de perforación, el mecanismo de empuje es accionado por un motor

hidráulico. Por lo tanto, es preciso considerar el rendimiento mecánico de las transmisiones

(ηmt) y el rendimiento hidráulico del motor de empuje (ηhm). Así, la potencia aplicada en la

fuerza de empuje (WE), será:

[HP] 4500 hmmt

EVaFW

ηη ⋅⋅×

= Ecuación 2.11

Donde:

ηmt es el índice de rendimiento mecánico de la transmisión y varía entre 0,80 a 0,90

ηhm es el índice de rendimiento hidráulico del motor de empuje y varía entre 0,65 a 0,75

En la Figura 2.6, se observa que la potencia requerida para la fuerza de empuje es del

orden de un 10 % de la demandada para la rotación.

Figura 2.6. Potencia de empuje en función del diámetro de perforación


2.4 CIRCUITO DE RECICLAJE DE AGUA DE PERFORACIÓN

El circuito de reciclaje de agua esta formado por dos etapas, como se puede observar

en la Figura 2.7. La primera corresponde al sistema de captación y conducción de agua

desde la vertiente natural hacia la primera tina de acumulación. El agua se transporta

mediante el uso de una bomba de funcionamiento mecánico accionada por un motor diesel

de 10 HP a 1500 rpm; el agua acumulada pasa hacia una segunda tina de dosificación, en

esta etapa se añade bentonitas y polímeros que se determinan para su uso en el proceso de

perforación.

El agua dosificada se conduce hacia el sistema de inyección de agua a presión del

equipo de perforación que ingresa hacia el rig. El líquido que se integra desde la tina de

dosificación hacia el sistema de inyección a presión es controlado mediante el

accionamiento de una válvula manual.

La distancia que recorre el agua desde la vertiente hasta la plataforma de perforación

es aproximadamente 100 metros, para lo cual se utiliza tubería de 25 mm de diametro Flex

con U.V. para uso en la intemperie, por su durabilidad frente a las condiciones

climatológicas y del terreno.

La segunda etapa corresponde al tratamiento del líquido que se ha utilizado en la

perforación y comprende una conexión en serie de diferentes tinas, cuyo propósito es el de

eliminar los sedimentos obtenidos en la perforación. El líquido obtenido de la perforación

es guiado mediante un canal a cielo abierto, donde se acumula el agua que contiene los

ripios de perforación y es conducido hacia la tubería que conecta la siguiente tina. El paso

posterior corresponde a la filtración de sedimentos, ripios y grasas de perforación, la que se

realiza en una tina con una capacidad de 500 litros y cuyo propósito principal es el de

eliminar la mayor cantidad de partículas en suspensión.

La filtración se la realiza mediante una malla metálica de acero inoxidable que separa

las partículas de materia inorgánica como arenas, ripios y las grasas utilizadas para la

lubricación de las herramientas de perforación.


En la siguiente tina, que tiene una capacidad de 2000 litros, se dosifica floculante con

el objeto de sedimentar las partículas de menor tamaño. Para el resto del proceso,

dependiendo de factores litológicos, propiedades físicas y químicas de la roca, se

determinan el número de tinas restantes que van a ser utilizas para el resto de la

sedimentación y decantación de las partículas; estas tinas tienen una capacidad de 2.000

litros.

Por último el líquido que ha sido tratado se acumula en una tina de reciclaje de

capacidad igual a las anteriores tinas. El agua tratada se reutilizará dentro del proceso de

perforación y se lo reintegra al sistema mediante una bomba de accionamiento mecánico

accionada por un motor diesel de 10 HP a 1500 rpm. El circuito de agua recorre una

distancia aproximada de 260 metros, que corresponde a la trayectoria entre la vertiente de

agua y la plataforma (100 metros); la plataforma y el circuito de reciclaje de agua (80

metros) y la distancia de la tina de agua reciclada hacia la plataforma (80 metros).

Las tinas utilizadas son fabricadas de polietileno, su diseño es cónico con una

capacidad real de 2210 litros, diámetro superior externo de 1570 mm, diámetro inferior

externo de 1180 mm y una altura de 1570 mm. El polietileno tiene la característica de

evitar la proliferación de organismos, no se corroen ni se oxidan y no requieren de

mantenimiento continuo, por esta razón es considerado ideal para el proceso de tratamiento

del agua de perforación. Las tinas estas conectadas mediante tubería y acoples de

policloruro de vinilio de 60 mm de diámetro.

El circuito de reciclaje de agua aprovecha la topografía del terreno, es decir la

gravedad de la caída de agua, para el proceso de sedimentación y captación del agua que se

utiliza en la perforación y únicamente se utiliza la bomba de accionamiento mecánico para

regresar nuevamente el agua ya tratada hacia el proceso.


Figura 2.7. Circuito de reciclaje de agua para la perforación

CAPITULO 3 INSTRUMENTACION DEL SISTEMA DE CONTROL

31

CAPÍTULO 3

INSTRUMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL

El desarrollo tecnológico de los sistemas de control y la utilización de dispositivos

eléctricos y electrónicos para diseñar, simular e implementar en forma eficiente los

procesos que están involucrados, hace necesario que los profesionales que intervienen en

la automatización y control de los procesos industriales, amplíen y profundicen sus

conocimientos en esta área, teniendo en cuenta las facilidades que se presentan para

adquirir tecnología de punta.

Es este amplío campo tecnológico, el que brinda múltiples opciones en el desarrollo

de nuestros sistemas de control, monitoreo de variables y las diferentes tareas que se

puedan obtener al contar con una buena instrumentación, que garanticen el correcto

funcionamiento de los procesos, en concepto de confiabilidad y eficiencia, para obtener

mayores y mejores resultados en la calidad de la producción final.

El objetivo de este capítulo es conocer los diferentes parámetros y estrategias que se

deben tomar en cuenta para diseñar el sistema de control y monitoreo, partiendo de que el

proceso de perforación ya tiene implementado un sistema que requiere de mejoras para

cumplir con los planteamientos establecidos. Además, en este capítulo se abarcará los

diferentes elementos primarios de medición y los elementos finales de control, de tal

manera que se logre realizar una selección adecuada de los dispositivos para el diseño,

investigando los que más se adapten en el proceso en base a sus características técnicas y

de funcionamiento.

Es parte importante dentro de la instrumentación de un proceso, conocer las normas

con las cuales se va ha escoger los dispositivos del sistema que se está diseñando. Estas

normas están aplicadas en las características de los instrumentos, tanto de medición como


32

los de actuación y se estandarizan de acuerdo con las normas SAMA (Scientific Apparatus

Makers Association), PMC20. Las características estáticas que se deben tomar en cuenta

para escoger los instrumentos de medición son:

• Campo de medida o Rango. Es el conjunto de valores dentro de los límites

superior e inferior de medida, en los cuales el instrumento es capaz de trabajar en

forma confiable. Este denota la capacidad del equipo y puede expresarse en

unidades físicas.

• Alcance o Span. Es la diferencia entre el valor superior e inferior del campo de

medida del instrumento.

• Error. Es la diferencia que existiría entre el valor que el instrumento indique que

tenga la variable de proceso y el valor que realmente tenga esta variable en ese

momento.

• Precisión. Es la tolerancia mínima de medida que permitirá indicar, registrar o

controlar el instrumento; en otras palabras, es la mínima división de escala de un

instrumento indicador. Generalmente esta se expresa en porcentaje del Span.

• Zona Muerta. Es el máximo campo de variación de la variable en el proceso real,

para el cual el instrumento no registra ninguna variación en su indicación, registro o

control, es decir, el intervalo de valores para cual el instrumento no produce

respuesta alguna.

• Sensibilidad. Es la relación entre la variación de la lectura del instrumento y el

cambio en el proceso que causa este efecto.

• Repetibilidad. Es la capacidad de un instrumento de repetir el valor de una

medición, de un mismo valor de la variable real en una única dirección de

medición, considerando las mismas condiciones de funcionamiento.

• Histéresis. Similar a la repetibilidad, pero en este caso el proceso de medición se

efectuara en ambas direcciones.

• Campo de medida con supresión de cero. Es aquel rango de un instrumento cuyo

valor mínimo se encuentra por encima del cero real de la variable.

• Campo de medida con elevación de cero. Es aquel rango de un instrumento cuyo

valor mínimo se encuentra por debajo de cero de las variables.


33

Por otra parte, las características dinámicas de los instrumentos de medida es otro

parámetro que se debe tomar en cuenta para realizar la instrumentación del sistema. La

presencia de inercias, capacidades eléctricas, térmicas, fluidas, y en general, de elementos

que almacenan energía, hace que la respuesta de un sensor a señales de entrada variable sea

distinta a la que presenta cuando las señales de entrada son constantes o que se representen

mediante las características estáticas.

La descripción del comportamiento del sensor se hace en este caso mediante las

denominadas respuestas dinámicas, error dinámico y velocidad de respuesta o retardo. El

error dinámico es la diferencia entre el valor indicado y el valor exacto de la variable

medida, siendo nulo el error estático. Este describe la diferencia en la respuesta del sensor

a una magnitud de entrada según esta sea constante o variable en el tiempo.

La velocidad de respuesta indica la rapidez con que el sistema de medida responde a

los cambios de la variable de entrada. En cuanto a la medida, no es importante que exista

un retardo entre la magnitud aplicada a la entrada y la indicación correspondiente a la

salida, sin embargo cuando el sensor forma parte de un complejo sistema de control, el

retardo puede dar lugar a pequeñas oscilaciones.

Para poder determinar las características dinámicas de un sensor, se debe aplicar a su

entrada una magnitud variable. Esta puede ser de formas distintas, pero lo normal y

suficiente para un sistema lineal es estudiar la respuesta, frente a una entrada transitoria

como un impulso, un escalón o una rampa periódica o aleatoria. La elección de una u otra

depende del tipo de sensor.

Para describir matemáticamente el comportamiento de un sensor, se supone que la

salida y la entrada se relacionan según una ecuación diferencial lineal de coeficientes

constantes y que, por lo tanto, se tiene un sistema lineal invariable en el tiempo. En estas

condiciones, la relación entre la salida y la entrada del sensor puede expresarse de una

manera simple, en forma de coeficiente, empleando la transformada de Laplace de ambas

señales y la función de transferencia propia del sensor. Hay que recordar que esta última da

una relación general entre la salida y la entrada, pero no entre sus valores instantáneos.


34

Las características dinámicas de los sensores pueden estudiarse entonces por cada

señal de entrada aplicada, agrupándolos de acuerdo con el orden de la función de

transferencia que lo describe. Normalmente no es necesario emplear modelos de orden

superior a dos.

Según las funciones que realizan los diferentes instrumentos se los puede clasificar:

• Instrumentos ciegos. Son aquellos que no tienen indicación visible de la variable

medida pero cumplen una acción reguladora en el proceso.

• Instrumentos indicadores. Son aquellos que tienen un indicador visual de la

variable del proceso, pueden ser analógicos y/o digitales.

• Instrumentos registradores. Estos pueden ser de tipo mecánico o también de tipo

electrónico, como por ejemplo los registradores digitales que por medio del puerto

serial se conectan a una computadora donde aparece gráficamente en pantalla las

estadísticas de medición. Estos instrumentos se utilizan cuando el proceso requiere

generar un historial de la variable.

• Elementos primarios de medida. Son aquellos que están encargados de medir

directamente la variable a controlar, estos entran en contacto directo con la variable

del proceso, con el fin de recibir un efecto sobre este y evaluar la variable en

cuestión.

• Transmisores. Son todos aquellos que transmiten la variable a distancia en forma

de señal eléctrica, neumática, hidráulica, o electromagnética. Estos transmiten las

variables de proceso en forma de señales proporcionales a estas.

• Transductores. Son aquellos que modifican, convierten, o acondicionan la señal

de entrada. Son instrumentos fuera de línea (no en contacto con el proceso),

capaces de realizar operaciones lógicas y matemáticas con señales de uno o más

transmisores.

• Receptores. Son aquellos instrumentos que reciben la señal enviada por los

transmisores. Son generalmente instalados en el panel de control, como interfase

entre el proceso y el operador.

• Controladores. Son los encargados de encontrar el error entre la variable medida y

la referencia, y efectúan una acción para corregir dicho error. Es uno de los

elementos más importantes, ya que será el encargado de ejercer la función de

comparar lo que está sucediendo en el proceso para corregir las desviaciones.


35

• Elemento final de control. Son los instrumentos que reciben la señal de corrección

del controlador y actúan sobre el proceso para corregir el error. Este instrumento

está en contacto directo con el proceso en línea, ejerciendo un cambio sobre este de

tal manera que se cambien los parámetros hacia el valor deseado.

3.1 ESTRATEGIAS Y PARÁMETROS PARA EL CONTROL AUTOMATICO

La automatización y control se lleva a cabo, una vez que todos los parámetros del

proceso han sido reconocidos para cumplir con el alcance y los objetivos del proyecto. Uno

de los avances del proyecto es considerar las estrategias que convienen para un

funcionamiento óptimo del sistema, englobando todas las variables que se involucren

dentro del proceso y seleccionando los recursos con los que se va a lograrlo. Con este

criterio, se muestran en la Tabla 3.1, los parámetros y sus respectivas estrategias que se

vienen utilizando en el diseño del proyecto.

Tabla 3.1. Estrategias y parámetros para el Control Automático del Sistema

PARÁMETRO ESTRATEGIA

Nivel de líquido en la tina de acumulación Diseñar un sistema de control en lazo

cerrado de nivel de líquido, que minimice

el número de fallas, liberando al personal

de perforación de tareas reincidentes y

reduciendo inconvenientes en el proceso

por no llevar un procedimiento sistemático.

Flujo de líquido para el proceso de

perforación

Diseñar un sistema de control en lazo

cerrado de flujo de líquido que incremente

los niveles de calidad del proceso,

obteniendo un diseño flexible en

funcionamiento con un mejoramiento

continuo en el proceso de perforación.


36

PARÁMETRO ESTRATEGIA

Monitoreo y manejo de las variables de

operación e interface del sistema de control

y monitoreo

Obtener una interface en el diseño que este

orientado a la supervisión de control y

adquisición de datos, que sea flexible en

sus parámetros de diseño, de arquitectura

abierta a posibles expansiones o

modificaciones y que garantice los

resultados finales esperados.

Instrumentación y conexiones Desarrollar un diseño en donde las

unidades de medición y control, equipos

electrónicos y conexiones estén protegidas

de las hostilidades en las que ocurre el

proceso industrial, tomando medidas de

prevención, corrección y predicción.

Análisis técnico y de manejo del sistema Lograr un diseño eficiente y confiable que

cumpla con los parámetros técnicos para su

funcionamiento, que brinde una interface

amigable al operador y que represente el

comportamiento del proceso.

Existen diferentes métodos que se utilizan para realizar la acción de control dentro de

un proceso, sean estos clásicos o modernos, según la clasificación del sistema en la teoría

de control. Estos métodos permiten reaccionar al controlador, mandando una señal

correctiva del error generado, mientras que las estrategias de control, hacen más eficiente

el trabajo de todo el sistema, ahorrando recursos y tiempo.

Las estrategias de control más reconocidas dentro de los procesos industriales son las

siguientes:

• Control en cascada. Consiste en incluir uno o más lazos de control interno dentro

de otro externo, con el objetivo de anular perturbaciones, impidiendo que las

perturbaciones secundarias afecten al sistema principal. Básicamente el controlador

externo se encarga de la variable principal, mientras que los controladores internos

se encargan de las perturbaciones más frecuentes. Como regla general, a más


37

interno es el lazo, la respuesta de este debe ser más rápido. Las ventajas de esta

estrategia es que las perturbaciones más frecuentes son corregidas antes de afectar a

la variable principal, permite usar ganancias altas y tiene una respuesta

relativamente rápida.

• Control de relación. Consiste en analizar y mantener una proporcionalidad entre

dos o más elementos (actuadores) dentro de un proceso continuo. Se usa

comúnmente cuando se tiene que ingresar dos líquidos a un tanque y donde la

cantidad del primer líquido debe mantener una relación respecto con la del

segundo, además los líquidos deben entrar constantemente al tanque. Este tipo de

estrategia significa un ahorro de instrumentos y un sistema más sencillo de

supervisar y reparar.

• Control de rango dividido. Es aplicado a sistemas con una sola variable

controlada y dos o más variables manipuladas, las cuales afectan de igual forma a

la variable controlada. Requiere compartir la señal de salida del controlador con

varios elementos actuadores.

• Control selectivo. Consiste en ejercer control sobre dos variables de un proceso,

relacionas entre sí de tal modo que una u otra pueda ser controlada por la misma

variable manipulada. La acción de control se logra conectando la salida de los

controladores a un switch selector. Es aplicado por lo general en seguridad y

protección de equipos eléctricos y electrónicos

• Control inferencial. Consiste en efectuar la medición de la variable controlada a

través de otra variable relacionada, considerada variable secundaria (pero

dependiente de la principal). Los componentes de este sistema son los mismos que

los de un sistema de control realimentado más una unidad de computo llamada

estimador. Se aplica a procesos donde la obtención de información o la medición

no se pueden llevar a cabo por motivos de que no existe un elemento medidor para

ese tipo de parámetros, o si existe es demasiado costoso, o también porque no se

puede medir constantemente el parámetro, lo que hace que se adquieran muy pocas

muestras en un tiempo muy largo.

• Compensación de tiempo muerto. El tiempo muerto es el intervalo de tiempo de

respuesta desde que se ingresa una señal en la entrada a un componente o un

sistema, y el comienzo de una señal de respuesta por la salida del sistema. El

tiempo muerto presenta la principal dificultad en los diseños de sistemas de control


38

estable. Como una regla práctica puede adoptarse la siguiente regla; si el tiempo

muerto de un proceso es mayor que 1.5 veces su constante de tiempo, se requiere

un compensador de tiempo muerto. Esta constante, es el tiempo necesario para que

un proceso de primer orden alcance una respuesta igual al 63.2% de su respuesta

final, cuando se le somete a un estímulo escalón.

Estas estrategias se toman en cuenta para el diseño del sistema de control en conjunto

con los métodos con los que se logrará el control y monitoreo del nivel y flujo del líquido

del proyecto. Una vez caracterizada la planta y elegidos los métodos de control más

apropiados, las estrategias de control para el proceso complementan el diseño del sistema.

3.2 SENSORES Y TRANSMISORES

El elemento primario de medición o sensor, es aquel que detecta el valor de la

variable medida, es decir, es la porción de los medios de medición que primero utiliza o

transforma la energía del medio controlado. Los sensores y transmisores realizan todas las

operaciones de medición en los procesos de control; en el sensor se produce un fenómeno

físico, relacionado con una variable del proceso, que puede ser de tipo eléctrico, mecánico,

electrónico o una combinación de estos varios. Por otra parte, el transmisor convierte este

fenómeno que se produce en el sensor, en una señal que se pueda transmitir, y por lo tanto

esta tiene relación con la variable que se mide en el proceso. Existe una clasificación de

sensores por su tipo, dependiendo de las propiedades físicas en las que se desarrolla el

proceso y de sus características de funcionamiento:

• Sensores de contacto. Son aquellos que realizan la medida en contacto directo, real

y físico con el producto o materia, por ejemplo sensores de boya para medir nivel

en un tanque o una termocupla para medir temperatura.

• Sensores de no contacto. Se basan en propiedades físicas de los materiales, son

más exactos, pero propensos a interferencias del medio ambiente, por ejemplo los

sensores ultrasónicos o los sensores ópticos.


39

• Sensores digitales. Trabajan con señales digitales, en código binario, pueden

representar la codificación de una señal analógica, o también la representación de

dos estados on/off, por ejemplo los sensores tipo switch.

• Sensores analógicos. Proporcionan medidas continuas, los rangos típicos son de 0

a 20mA, 4 a 20mA, 0 a 5v, 1 a 5v y dependiendo del tipo de proceso existen rangos

especiales, por ejemplo los sensores capacitivos o los sensores piezoresistivos.

• Sensores mecánicos. Son aquellos que traducen la acción física del elemento

medido, en un comportamiento mecánico, típicamente de movimiento o calor, por

ejemplo el barómetro o el termómetro de mercurio.

• Sensores electro-mecánicos. Este tipo de sensor emplea un elemento mecánico

elástico combinado con un transductor eléctrico, por ejemplo los sensores resistivos

o los sensores magnéticos.

3.2.1 Sensores y Transmisores de Flujo

El sensor y transmisor de flujo es uno de los instrumentos más utilizados dentro de

los procesos industriales. Los procesos de fabricación operan continuamente con variables

que involucran movimiento de materiales y productos, todos estos sistemas pueden ser

considerados como flujos, ya sean de soluciones líquidas o de diferentes clases de sólidos

que se desplacen en el proceso. Los métodos de medición de flujo son tan variados como

las aplicaciones en las que se tienen dentro de la industria; es por esta razón, que este tema

se centrará en el estudio de los dispositivos de acuerdo a las características de medición de

líquidos porque el proceso corresponde al control y monitoreo del flujo de agua en la

perforación.

Se denomina flujo, al movimiento de fluidos por canales o conductos abiertos o

cerrados, considerando como fluido a cualquier sustancia que pueda desplazarse. Es

importante denotar, que el caudal es la cantidad de material, en peso o volumen, que fluye

por unidad de tiempo. Las medidas de flujo y caudal están presentes en todos los procesos

de transporte de materia y energía mediante fluidos, bien sea para el control de dichos

procesos, para su monitoreo o con el fin de una tarea determinada, como por ejemplo el de


40

establecer la cantidad de agua utilizada y las pérdidas del líquido en el proceso de

perforación.

La mayoría de flujómetros y de caudalímetros se basan en métodos de medida

indirectos y, en particular, en la detección de diferencias de presión provocadas por la

inserción de un elemento en el conjunto donde se desea medir; pero además de estos,

existen instrumentos que se basan en la medición del flujo en base a la velocidad a la que

se desplaza la sustancia, utilizando en sus dispositivos de censo paletas, turbinas o

ultrasonido.

3.2.1.1 Características y Definiciones. La medición del flujo de un líquido obedece a la

gran variedad del tipo de sustancias de las que resulta dicho flujo y del método utilizado

para la medición, pero es importante destacar que se basan en las mismas unidades, que

dependiendo de cuán específica sea la información que se necesite en el proceso, pueden

ser mediciones basadas en el caudal o flujo volumétrico, o pueden ser mediciones basadas

en la velocidad del flujo. Las unidades usadas en el primer tipo de mediciones expresan el

volumen de líquido suministrado por unidad de tiempo, donde las unidades típicas de

medida son los galones por minuto, metros cúbicos por hora o pies cúbicos por hora. En

cambio, las mediciones basadas en la velocidad del flujo están expresadas como la

distancia que el líquido viaja a través del elemento de transporte (tubería) por unidad de

tiempo, las unidades típicas son metros por minuto o pies por minuto y se relaciona

mediante la fórmula:

AQv = Ecuación 3.1

Donde: v representa la velocidad de flujo del líquido

Q representa el caudal

A representa la sección transversal del elemento de transporte del líquido

Las características físicas y la composición de los líquidos permiten que estos tengan

diferentes comportamientos, específicamente cuando se trata del desplazamiento en

tuberías y elementos de transporte. Por este motivo, es importante distinguir los tipos de

flujo que se producen dentro de los procesos. Se denomina flujo viscoso o laminar, al de

un fluido a lo largo de un conducto recto, con paredes lisas y de sección transversal


41

uniforme, donde la trayectoria de cada una de las partículas es paralela a las paredes del

tubo y tiene la misma dirección. Por contrapartida, se denomina flujo turbulento cuando

algunas de las partículas del fluido poseen componentes de velocidad longitudinal y

transversal, lo que da como resultado la aparición de remolinos y torbellinos en el fluido.

3.2.1.2 Funcionamiento

3.2.1.2.1 Sensores de flujo basados en la caída de presión

Placa orificio. Los instrumentos de medición basados en la obstrucción, son sin duda

alguna, los más frecuentes en su uso. Se denomina obstrucción a una restricción de flujo de

área constante, en esta se produce una caída de presión que depende del flujo, de forma que

la medida de caudal se reduce a una medida de presión diferencial. Si en un conducto

cerrado, se interpone una placa con un orificio, hay una contracción del fluido, que pasa a

tener una sección transversal distinta del conducto a la del orificio y ello lleva asociado un

cambio en su velocidad. Este orificio es un disco plano con un agujero, que se inserta en la

línea del proceso, perpendicular al movimiento del fluido, de tal manera que se produzca la

caída de presión, la que es proporcional a la razón de flujo volumétrico a través del

orificio. El cálculo de flujo volumétrico se lo puede obtener mediante la siguiente

ecuación:

ρPCQ Δ

= Ecuación 3.2

Donde: q representa el caudal

ΔP representa la caída de presión a través del orificio

C representa el coeficiente del orificio

ρ representa la densidad del fluido

El diseño de la placa orificio por lo general es afilado aguas arriba y biselado aguas

abajo como se observa en la Figura 3.1, esto con el propósito de eliminar perturbaciones

que puedan afectar la calidad de la medición. Se debe tomar en cuenta que este tipo de

sensores se utilizan en líquidos limpios, debido a que los fluidos con residuos producen

erosión en los filos de la placa.


42

Existen variaciones de las placas orificio según la utilización dentro del proceso. Las

placas con orificios concéntricos se utilizan para fluidos limpios y contienen pequeños

orificios de drenaje de tal manera que se eliminan pequeñas cantidades de líquido. Las

placas con orificio excéntrico en la parte alta, permite el paso de gases al medir líquidos,

mientras que las placas excéntricas en la parte baja deja pasar sólidos suspendidos. Las

placas con orificios segmentados se utilizan para líquidos con posible sedimentación de

sólidos.

Figura 3.1. Sensor basado en la caída de presión. Placa orificio

Entre los principales inconvenientes de este método de medición se debe señalar una

pérdida de carga apreciable y la dificultad de medir con exactitud caudales fluctuantes,

con la excepción de que el medidor de presión diferencial sea relativamente rápido.

Además la señal que se obtiene de la combinación orificio/transmisor es la caída de presión

y no el flujo del líquido, es decir se utiliza un sensor diferencial de presión. En

consecuencia, si se desea obtener el flujo se debe calcular la raíz cuadrada de la caída de

presión dentro del proceso de instrumentación del sistema, u optar por un elemento que

ofrece la extracción de la raíz dentro del transmisor y que se relaciona de manera lineal con

el flujo o caudal. Otras posibles causas para evitar la utilización de los sensores de orificio

es que dentro del proceso no exista la suficiente presión para crear una caída de presión,

como en el caso de flujo por gravedad y el flujo de fluidos corrosivos, con sólidos en

suspensión que por su tamaño puedan bloquear el orificio.


43

Tubo Ventura. Este tipo de medidor se utiliza cuando es importante limitar la caída de

presión y cuando se requiriere de mediciones de caudal superiores a los rangos de trabajo

de la placa orificio. Su estructura consiste en un estrechamiento gradual cónico y una

descarga con salida suave como se aprecia en la Figura 3.2, ofreciendo una gran precisión

en sus mediciones y el paso de fluidos con sólidos en suspensión. Se utiliza para tasas de

“turn down” altas, es decir, la relación entre el máximo y el mínimo caudal mayores a 3:1,

como por ejemplo en los procesos con líneas de vapor.

Figura 3.2. Sensor basado en la caída de presión. Tubo Venturi

El alto coste del tubo Venturi restringe su utilización, además este tipo de dispositivo

se utiliza cuando se indican considerables pérdidas de carga de los elementos, lo que en el

circuito de reciclaje de agua no es considerable debido a que las tinas de acumulación

funcionan con la suficiente presión brindada por la bomba de accionamiento mecánico y el

proceso de sedimentación del material de perforación utiliza la caída libre del agua por la

tubería.

Tubo Pitot. Es un dispositivo simple que determina la velocidad de un fluido en un punto

específico. Consiste en un tubo de pequeño diámetro que se opone al flujo, con lo que la

velocidad en su extremo mojado es nula. Midiendo la altura de la columna de líquido, se

obtiene la presión total del punto; mientras que si se mide la presión estática con otro tubo,

se puede calcular la velocidad como función de la diferencia de presiones, como se observa

en la Figura 3.3.


44

En una tubería cerrada, este medidor sensa la presión estática mediante un

manómetro y la presión total o de estancamiento mediante un mecanismo Pitot, de esta

forma se obtiene las dos medidas a la vez que se relacionan mediante la siguiente ecuación:

ρ)( 12 pp

v−

= Ecuación 3.3

Donde: v representa la velocidad de flujo

p1 representa la presión total en el punto

p representa la presión estática en el punto

ρ representa la densidad del fluido

Figura 3.3. Sensor basado en la caída de presión. Tubo Pitot

Las ventajas de este medidor son la escasa caída de presión y bajo precio, siendo por

ello una buena elección para tuberías de diámetros considerables, como las que se ocupan

para la interconexión de las tinas de tratamiento de aguas de perforación, que comprenden

tuberías de poli cloruro de vinilo de tres y dos pulgadas de diámetro.

Existe una variación del tubo de Pitot que se la conoce con el nombre de tubo de

Annubar, que dispone de varias tomas, a lo largo de la sección transversal, con lo que se

mide la presión total en varios puntos, obteniendo la media de estos valores y evitando el

error que produce el tubo de Pitot. Estos instrumentos son sensibles a la variación de las

velocidades distribuidas a lo largo de la tubería, es por esto, que su empleo esta dirigido

principalmente a líquidos con flujo laminar y en una sección continua recta de la tubería.


45

3.2.1.2.2 Sensores basados en la velocidad de flujo

Turbina. En este tipo de instrumento, el fluido entra en el medidor y hace girar un rotor a

una velocidad que es proporcional a la del fluido, y por tanto al caudal instantáneo. La

velocidad de giro del rotor se mide por conexión mecánica, un sensor registra el número de

vueltas, o por pulsos electrónicos generados por cada giro, como se representa en la Figura

3.4. Cada uno de los elementos o vanos de la turbina tiene incorporado un dispositivo

magnético, de tal forma que cuando circula el fluido y produce el movimiento de la

turbina, este es captado magnéticamente por una bobina generando un pulso eléctrico. Esta

señal eléctrica emite pulsos a una frecuencia proporcional a la razón de flujo volumétrico,

estándar a la instrumentación electrónica con una señal de 4 a 20 mA. Dependiendo del

sensor y transmisor del medidor, se generan medidas del flujo en determinados períodos de

tiempo o una medida del flujo totalizado.

Figura 3.4. Sensor basado en la velocidad de flujo. Turbina

Este tipo de instrumento tiene uno de los más altos índices de precisión, con una

escala totalmente lineal y una relación de flujo máximo respecto de flujo mínimo de 15:1.

Por contraparte es un instrumento más propenso al daño, causado por el flujo de líquido

con partículas que originan el desgaste de su mecanismo o por el encuentro de agua a alta


46

velocidad que produce sobre flujo y daño en la turbina. Además es importante notar, que la

turbina tiene limitaciones con respecto a la viscosidad, considerando que este tipo de

fluidos se desplazan con mayor lentitud en las paredes de la tubería y por tanto las palas de

la turbina no giran a la velocidad que se desea censar.

Medidor electromagnético. Este instrumento se basa en la Ley de inducción

electromagnética de Faraday que dice que el voltaje inducido en un conductor que se

mueve en un campo magnético, es proporcional a la velocidad del conductor, dimensión

del conductor, y fuerza del campo magnético. Para este caso, el fluido se desplaza en el

seno del campo magnético creado por dos bobinas externas, en dos electrodos dispuestos a

noventa grados respecto al flujo y al campo, donde se recoge una pequeña tensión eléctrica

de 1mV correspondiente a 1m/s. La proporcionalidad entre la tensión de salida y el caudal

sólo es cierta si el perfil de velocidades es simétrico respecto al eje longitudinal y el campo

magnético es uniforme. La dependencia de la salida respecto al perfil de velocidades varía

según el tamaño de los electrodos. En principio, cuantos mayores sean mejor; pero para

evitar su deterioro, deben cubrirse con un aislante de tal forma que se acoplen

capacitivamente, lo que implica un aumento de la impedancia de salida.

El medidor consta de dos partes, la primera el tubo de caudal, que comprende el

propio tubo de material no magnético recubierto de material no conductor, para no

cortocircuitar el voltaje inducido, las bobinas generadoras del campo magnético y los

electrodos detectores del voltaje inducido en el fluido; y la segunda parte que es el

transmisor, que alimenta eléctricamente con corriente alterna o continua a las bobinas,

elimina el ruido del voltaje inducido y convierte la señal a la adecuada para los equipos de

indicación y control (mA, frecuencia, digitales), como se ilustra en la Figura 3.5.

El campo magnético impuesto, del orden de teslas, como se indicó puede ser

continuo o alterno. En este segundo caso se evitan los efectos electroquímicos en los

electrodos y termoeléctricos en las soldaduras de los cables eléctricos de conexión. Si se

considera una alimentación senoidal, el propio campo magnético variable induce tensiones

parásitas en cualquier bucle conductor, una alternativa es alimentar el electroimán con una

tensión cuadrada y medir la tensión inducida sólo durante el tiempo que el campo es


47

constante. La tendencia actual para el diseño de estos instrumentos es emplear un campo

magnético pulsado, con una frecuencia submúltiplo de la red eléctrica.

Figura 3.5. Sensor basado en la velocidad de flujo. Medidor electromagnético

Debido a que este medidor no restringe el flujo, es un instrumento con caída de

presión nula que se puede utilizar tanto para flujo laminar como para flujo turbulento, para

mediciones de flujo por gravedad e inclusive para flujos con variaciones rápidas. Es

importante notar que este medidor es utilizado en fluidos conductores, con conductividades

mayores a 5 μS/m, lo que brinda alta precisión y la ausencia de obstrucciones al flujo lo

hace idóneo para mediciones en aguas residuales o de tratamiento con sólidos en

suspensión. Por último, es importante considerar que este medidor requiere de constante

mantenimiento en los recubrimientos de los electrodos, que en el peor de los casos

representaría otra resistencia eléctrica, lo que resultaría en lecturas erróneas de las

mediciones obtenidas.

Medidor Vortex. La detección de la presencia de oscilaciones en el flujo de un fluido

permite obtener una señal de frecuencia variable, que depende directamente de la

velocidad del fluido. El método de las oscilaciones forzadas en los líquidos, consiste en

introducir dentro del conducto un objeto no aerodinámico de cuerpo romo que provoca un

fenómeno de la mecánica de los fluidos conocido como torbellino o vórtice de Karman,

como se observa en la Figura 3.6.

Estos vórtices son áreas de movimiento circular con alta velocidad local, que se

desprenden de la capa de flujo en contacto con el objeto. Se detectan normalmente


48

mediante ultrasonidos, a partir de las fluctuaciones de la temperatura o de la fuerza de

arrastre sobre el objeto sumergido o mediante los cambios de presión caudados por los

torbellinos, donde el sensor detecta pulsos y los convierte en señales eléctricas.

Figura 3.6. Sensor basado en la velocidad de flujo. Medidor Vortex

El rango de exactitud de este método, que se encuentra en un índice de 0.5%, junto

su independencia de la viscosidad, densidad, presión y temperatura del fluido lo hacen

conveniente para la medición del flujo en los procesos, sin embargo en este instrumento

mientras mayor sea el diámetro de la tubería, menor es la frecuencia de salida del sensor, lo

que repercute en las mediciones, siendo el límite de diámetro del orden de 350mm. Por

otra parte, este instrumento eleva la pérdida de carga del fluido y es inadecuado para

fluidos sucios, abrasivos o corrosivos.

Medidor ultrasónico. Los ultrasonidos son una radiación mecánica de frecuencia superior

a las audibles. Toda radiación, al incidir sobre un objeto, en parte se refleja, en parte se

transmite y en parte es absorbida. Si además, hay un movimiento relativo entre la fuente de

radiación y el refractor, se produce un cambio en la frecuencia de radiación, conocido

como el efecto Doppler, principio de funcionamiento de los sensores de ultrasonidos. Este

tipo de instrumento mide el flujo volumétrico causado por la diferencia de frecuencias al

propagarse en el fluido, una onda es emitida y posteriormente es reflejada, el instrumento

censa la velocidad con la que se ha producido la variación y mide el caudal del fluido en la

tubería, como se ilustra en la Figura 3.7.


49

Figura 3.7. Sensor basado en la velocidad de flujo. Medidor ultrasónico

Este tipo de medidores tienen una relación de medida 20:1 con una escala lineal,

adecuado para líquidos con sólidos en suspensión, con la gran ventaja de que pueden ser

usados en cualquier tipo de fluidos contaminados o corrosivos, debido a que su instalación

se la realiza exterior a la tubería. La desventaja de este medidor son las limitaciones por la

necesidad de presencia de partículas para la propagación de las ondas. Una solución

brindada por la ingeniería es mejorar los reflectores, que pueden actuar en todas las

sustancias que tengan una impedancia acústica diferente a la del fluido. Para tener una

medición efectiva, el tamaño de los reflectores debe ser superior a un 10% de la longitud

de onda del sonido en el fluido. Las frecuencias empleadas son el orden de 1Mhz,

implicando longitudes de onda de decenas de micras, por tanto, para frecuencias supriores,

la atenuación de radiación en el medio sería demasiado excesiva.

Medidor térmico. Su funcionamiento se rige con en el principio de medición calométrico,

que se basa en el efecto físico donde el flujo medio del líquido es proporcional a la

variación de temperatura de la sonda del instrumento de medición. El medidor esta

alimentado por una fuente eléctrica de precisión, que proporciona una temperatura

constante al instrumento ubicado en el punto medio de la tubería por la que circula el

fluido. Sondas basadas en el principio de variación de la resistencia para medir la

temperatura (RM1 y RM2), se encuentran en puntos equidistantes de la fuente de calor (RH);

así, cuando el fluido esta en reposo, la temperatura es idéntica en las dos sondas y, cuando

el fluido circula, transporta una cantidad de calor hacia el segundo elemento, presentando

una variación de temperatura que aumenta o disminuye dependiendo del flujo del líquido

por la tubería, tal como se ilustra en la Figura 3.8.


50

Figura 3.8. Principio de funcionamiento del medidor térmico

Este tipo de medidor es utilizado normalmente para caudales bajos y su rango de

exactitud esta en el orden del 1%. La medición en esta transferencia de calor provee

información del flujo del líquido que pasa por la tubería en términos de porcentaje.

3.2.1.3 Selección. La selección del sensor y transmisor de flujo debe basarse en las

características estáticas y dinámicas que se adapten en el proceso, pero además se debe

tomar en cuenta las variables que pueden alterar a la medición y cambiar el control del

sistema.

Las variables que están presentes dentro del sistema de control y monitoreo de flujo

del circuito de agua para perforación son el caudal, la viscosidad, la temperatura, la

composición química y la presión, posibles variables que pueden afectar el

comportamiento del instrumento de medición de flujo.

En lo que corresponde al caudal del fluido, esta relacionado directamente con la

variable a controlar. El fluido que se utiliza para la perforación es agua, que se transporta

desde las vertientes naturales del sector, mediante el uso de una bomba centrífuga de

potencia 7 KW a 1500 rpm. El líquido se transporta mediante una tubería flexible

ALFFLEX de una y media pulgada para una presión de hasta 72 psi, lo que manifiesta un

caudal constante del líquido, con una temperatura que varía desde los 4 grados centígrados

desde la vertiente de agua hasta los 28 grados centígrados, temperatura máxima alcanzada

al pasar por la bomba centrífuga. Esta variable no altera el funcionamiento de la medición

en el instrumento puesto que se mantiene dentro de un rango relativamente bajo de


51

temperatura. En lo que corresponde a la presión del fluido, es importante evitar la pérdida

de carga causada por la obturación del instrumento que se vaya a utilizar, de esta forma

garantizamos el correcto funcionamiento del proceso, con un flujo constante de agua hacia

la tina de acumulación, pero además evitamos el deterioro de la bomba centrifuga que se

produciría por una presión excesiva en su mecanismo, causado por un medidor cuyo

principio de funcionamiento este orientado a la obstrucción del líquido. La composición

química del fluido corresponde a todos los aditivos que se utilizan para la perforación,

como los fleculantes, polímeros y grasas biodegradables que podrían afectar el mecanismo

del sensor, entonces es importante seleccionar un medidor que permita trabajar con fluidos

corrosivos y al mismo tiempo considerar que para la medición del flujo de líquido de

tratamiento que ha salido de la perforación, se debe incluir además de los aditivos, los

sólidos en suspensión presentes.

Todos los fluidos dentro de los procesos tienen una resistencia interna al flujo, que se

describe como viscosidad. Se puede considerar que la viscosidad es una fricción entre las

moléculas de un fluido, y en caso de ser transportado en una tubería es también

considerado como la resistencia sobre las paredes de dicho transporte. En los líquidos es

ocasionada por las fuerzas cohesivas de corto enlace; el arrastre viscoso de líquidos

depende de la velocidad y es directamente proporcional a esta, pero varía dependiendo de

las condiciones del proceso. La fricción interna causa que las capas de un fluido se muevan

unas con respecto a otras en respuesta a una tensión cortante. Este movimiento en capas, o

flujo laminar, es característico del flujo uniforme a velocidades bajas en los líquidos

viscosos, como es el caso del flujo del líquido que se produce en las tinas de tratamiento y

en el desplazamiento del fluido de una tina a otra a través de la tubería.

Como se indicó anteriormente en la definición y características de las mediciones de

flujo, a velocidades mayores, el flujo tiende a convertirse en rotacional o turbulento, es por

esta razón, que para la selección del instrumento de medición, se debe considerar el cálculo

y análisis del tipo de flujo del proceso. La viscosidad se caracteriza por un coeficiente que

determina a cada tipo de fluido y viene dado por la siguiente ecuación:

vAhF⋅⋅

=η Ecuación 3.4


52

Donde: F/A representa la tensión cortante necesaria para mantener el flujo entre dos planos

paralelos

h representa la distancia entre los dos planos

v representa la velocidad relativa del flujo

Las unidades SI para la viscosidad son los pascales-segundos [Pa-s] y las unidades

combinadas se la denominan poseuille [PI], mientras que en las unidades cgs es el poise

[P], utilizando la magnitud más conveniente para los fluidos, el centipoise [cP].

Las mediciones que se han obtenido en el proceso de perforación, indican la

utilización de agua con un caudal promedio de 2.3 m3/h, que fluctúan en valores mínimos

de acuerdo a las condiciones del proceso. Considerando que el transporte del fluido se lo

realiza mediante tubería flexible de diámetro igual 1.5 pulgadas se obtiene que:

smhmmhmv

mpu

mpur

rQ

AQv

/5575.0/8.2006)0191.0(

/3.2

0191.0lg1

0254.0lg75.0

2

3

2

≈=⋅

=

=⋅=

⋅==

π

π

Ecuación 3.5

Por tanto, la velocidad promedio de flujo del líquido es de 0.5575 m/s. Cuando la

velocidad de flujo de un fluido excede cierto valor, el flujo deja de ser laminar y se

convierte en turbulento. El análisis del flujo turbulento es una tarea compleja, pero existe

un valor determinado experimentalmente que nos indica el umbral de la turbulencia. Este

valor se expresa en términos de una cifra adimensional que se denomina número de

Reynolds y su ecuación es la siguiente:

ηρvdRn = Ecuación 3.6

Donde: ρ representa la densidad del fluido

v representa la velocidad promedio del flujo


53

A continuación se presenta en la Tabla 3.2, los sensores de flujo revisados, con sus

parámetros y características de funcionamiento.

Por razón de simplificación de unidades, los cálculos se los realiza con unidades y

derivados del sistema internacional, tomando en cuenta que la densidad de agua dulce a

una temperatura de 20 grados centígrados es de 1000 kg/m3 y la viscosidad del agua a 20

grados es de 0.001 PI. Este resultado obtenido, indica claramente que el flujo del proceso

es turbulento, para lo cual se debe elegir un instrumento que pueda actuar con este flujo,

de tal forma que se alcancen mediciones con la mayor precisión posible.

Considerando que la tubería es de paredes lisas, el flujo es laminar si el número de

Reynolds es inferior a 2000. La turbulencia se establece cuando este número esta alrededor

de 2000 o es superior, tomando en cuenta que es posible que haya un flujo laminar con un

número mayor a 2000, pero que será bastante inestable y que cualquier trastorno ligero

ocasionaría que se convierta en turbulento. Aplicando este concepto al proceso se obtiene:

η representa la viscosidad del fluido

d representa el diámetro del tubo conductor

75.21240001.0

0381.0/5575.0/1000 3

=

⋅⋅=

=

n

n

n

RPI

msmmkgR

vdRηρ

Ecuación 3.7


54

Tabla 3.2. Comparación de los parámetros y características de los sensores de flujo

Elemento primario

Tipo de fluido

Pérdida de presión

Ajuste en rango del

flujo

Precisión

Efecto de viscosidad

Costo

Tipo de Lectura

Orificio concéntrico

Líquido 50 – 90 % 3:1 ±0.75% Alto Bajo Raíz cuadrada

Orificio excéntrico

Líquido con gas

60 – 100 % 3:1 ±2.5% Alto Bajo Raíz cuadrada

Orificio de segmento

Líquido con sólidos en sus.

60 – 100 % 3:1 ±2% Alto Bajo Raíz cuadrada

Tubo Venturi

Líquido 10 – 20% 3:1 ±1% Muy alto Muy alto Raíz cuadrada

Tubo Pitot

Líquido Ninguna 3:1 ±1% Bajo Bajo Raíz cuadrada

Medidor de Turbina

Líquidos puros

0 – 7 psi 14:1 ±0.5% Alto Alto Lineal

Medidor magnético de

flujo

Líquido con sólidos

Ninguna

30:1

±1%

Ninguno

Alto

Lineal

Medidor de vértice

Líquidos y gases

0 – 5 WF 30:1 o 100:1 ±0.5%

Mínimo Nro. de Reynolds

10,000

Alto

Lineal

Medidor Ultrasónico

Líquidos Ninguna - - Ninguno Alto Lineal

Medidor térmico

Líquidos y gases

5 - 10% ajustable ±1% Bajo Alto Lineal


55

Para el caso específico del diseño de la maqueta, que representa un modelo del circuito

de reciclaje de agua, se utiliza un sensor de flujo térmico ajustado a la tubería de media

pulgada que conecta al sistema. Este sensor cumple con el dimensionamiento propuesto para

mediciones cuya velocidad de flujo varía entre 0 a 150 cm/s en agua, con una temperatura

permisible de trabajo entre 0 a 70˚C y para una presión máxima de 200 bares. Las

consideraciones restantes de funcionamiento y datos específicos están definidas en las hojas

técnicas correspondientes a la descripción del sensor de flujo RECHNER SW-600-1/2/ 28-IL.

3.2.2 Sensores e Interruptores de Nivel

Los sensores de nivel permiten conocer la altura de un líquido con respecto a una base

referencial hasta la superficie o un límite determinado, es aplicado tanto en grandes cantidades

de agua tales como ríos, lagos, mares, así como para menores cantidades de líquido como

tanques, pozos, etc. Por otra parte, los interruptores de nivel son un sistema sencillo y seguro

para controlar el nivel de líquidos, agua potable y en diversidad de aplicaciones generales

tanto para llenado, como el vaciado de depósitos dentro de los procesos. Estos instrumentos

basan su funcionamiento en principios mecánicos, que con la intervención de la

instrumentación electrónica se añade mayor eficiencia en la medición del nivel, obteniendo

lecturas precisas y por ende el mejoramiento de la calidad del proceso.

Los sensores e interruptores de nivel, en conjunto con los transmisores, operan ya sea

directamente censando la altura del líquido sobre una referencia, midiendo la presión

diferencial del líquido en el tanque, utilizando un flotador que indique la presencia del líquido

contenido en el depósito del proceso, midiendo el nivel por burbujeo, por mediciones basadas

en ultrasonidos y radioactividad o por las características eléctricas de los fluidos. Todos estos

métodos serán analizados, de tal forma que se seleccione el más adecuado para el proceso y

que cumpla con las características que se desean alcanzar en el sistema de control y monitoreo

3.2.2.1 Características y definiciones. El nivel es una variable muy importante en los

procesos, ya que está vinculada a la operación del equipo, a la integración y al inventario del

proceso. No existe un instrumento o medidor universal que sea aplicable a todos o la


56

mayoría de los casos, cada situación debe ser cuidadosamente analizada, ya que existe un sin

número de condiciones a tener en cuenta como el tipo de fluido, agresividad física o química,

existencia de espuma, comportamiento en el depósito, entre otros.

Durante los últimos años, la evolución tecnológica en el sector electrónico y las

comunicaciones, ha propiciado la aparición de nuevos sistemas de medición de nivel para el

control y gestión de inventarios en el sector industrial. Los beneficies básicos que proporciona

la instalación de un sistema de medición de nivel preciso y fiable son los siguientes:

• Mejoramiento en la calidad del producto. La utilización de nuevas tecnologías,

combinadas con los avances en el sector electrónico, proporciona medidas de mayor

fiabilidad y precisión, dando lugar a mejoras en la calidad del producto.

• Reducción en los costes de operación y mantenimiento. El uso de nuevas

tecnologías de comunicación digital facilita las tareas de configuración, detección de

problemas y posibilidades de autodiagnóstico, reduciendo notablemente los costes de

operación y mantenimiento.

• Cumplimiento de Normativas medioambientales y de calidad. La mejora en las

técnicas de fabricación y la sensibilización con las normativas medioambientales y de

calidad de los suministradores de instrumentación y del sector industrial en general,

facilitan al usuario el cumplimiento de normativas reguladoras (ISO, FDA, OSHA)


3.2.2.2.1 Instrumentos de medición directa


57

Instrumentos de Flotador. La medición de nivel con instrumentos de flotador es menos

común en la industria en general, pero se emplea muy frecuentemente en el campo del

tratamiento de aguas potables y de desechos. Hay que señalar que en estos instrumentos, el

flotador puede tener formas muy variadas y estar formado por diversos materiales según sea

el tipo de fluido, como se ilustra en la Figura 3.9. Básicamente, consisten en un flotador

situado en el seno del líquido y conectado al exterior de un tanque indicando directamente el

nivel, donde dicha conexión puede ser directa, magnética o hidráulica.

Flotador de Conexión Directa. Este modelo de flotador es generalmente, una pieza metálica

hueca de forma circular, con alambres de guía que van de la parte superior a la inferior del

tanque, para limitar su movimiento. Constituye el método más utilizado en tanques de

almacenamiento de gran capacidad. Por otro lado, este tipo de instrumento tiene el

inconveniente de que las partes móviles están expuestas al fluido y pueden romperse. Además,

el tanque no puede estar sometido a presión y es esencial que el flotador se mantenga limpio

para mantener la precisión en la medida.

Flotador acoplado magnéticamente. Se ha desarrollado una gran variedad de medidores de

nivel activados con flotador, que transmiten el movimiento de éste por medio de un

acoplamiento magnético. Este instrumento de medición de nivel consta de un flotador que se

desliza exteriormente a lo largo de un tubo de guía sellado, situado verticalmente en el interior

del tanque. Dentro del tubo, una pieza magnética o imán, suspendida por medio de una cinta o

cable, sigue al flotador en su movimiento y mediante el cable arrastra el índice de un

instrumento situado en la parte superior del tanque. Este instrumento puede tener interruptores

de alarma y varios transmisores incorporados. El flotador y el tubo de guía, que están en

contacto con el fluido que se está midiendo, se producen en una gran variedad de materiales,

tomando en cuenta condiciones de resistencia a la corrosión y para soportar altas presiones o

vacío, así por ejemplo se construyen de acero y aleaciones, aluminio, poli cloruro de vinilo,

polietileno, entre otros.


58

En tanques pequeños, el flotador puede adaptarse para actuar magnéticamente sobre un

transmisor eléctrico, dispuesto en el exterior del tanque que capta la variable de proceso y la

transmite a distancia permitiendo así un control de nivel. Los transmisores electrónicos

consisten en su forma más sencilla, en una barra rígida apoyada en un punto sobre la cual

actúan dos fuerzas en equilibrio, la fuerza ejercida por el elemento de medición y la fuerza

electromagnética de una unidad magnética.

Figura 3.9. Instrumentos de medición directa de nivel. Flotador

3.2.2.2.2 Instrumentos basados en la presión hidrostática

Medidor de Presión Diferencial. El medidor de presión diferencial consiste en un diafragma

en contacto con el líquido del tanque, que mide la presión hidrostática en un punto del fondo

del tanque, como se aprecia en la Figura 3.10. En un tanque abierto, esta presión es

proporcional a la altura del líquido en ese punto y a su peso específico.

P = H · γ · g Ecuación 3.8

Donde: P representa la presión

H representa la altura del líquido sobre el instrumento

γ representa la densidad del líquido


59

g representa la aceleración de la gravedad

El diafragma forma parte de un transmisor neumático, electrónico o digital de presión

diferencial semejante a los transmisores de caudal de diafragma. En el tipo más utilizado, el

diafragma está fijado en una brida que se monta rasante al tanque para permitir sin dificultades

la medida de nivel de fluidos, tales como líquidos con sólidos en suspensión, pudiendo ser

incluso de montaje saliente para que el diafragma nivele completamente con las paredes

interiores del tanque, tal como ocurre en el caso de líquidos extremadamente viscosos en que

no puede admitirse ningún recodo (ángulo).

Hay que señalar que el nivel cero del líquido se seleccionan en un eje a la altura del

diafragma. Si el instrumento se calibra en el tanque, el 0 % del aparato debe comprobarse con

el nivel más bajo en el borde inferior del diafragma, ya que entre el borde inferior y superior

del diafragma la señal de salida no está en proporción directa al nivel. Algunos fluidos

presentan el riesgo de depósito de cristales o de sólidos en la superficie del diafragma. En tal

caso cabe la solución de emplear un diafragma recubierto de teflón para reducir el depósito

gradual del producto. No obstante, como el movimiento del diafragma es muy pequeño y se

considera el sólido algo flexible, continúa aplicándose la presión del líquido a todo el

diafragma. Sin embargo, si parte del diafragma queda rígido, el instrumento marcará de forma

errática o permanentemente menos nivel del real. Este inconveniente se resuelve empleando

un transmisor de nivel de presión diferencial con membranas de sello que responde a la

presión transmitida en lugar de la fuerza creada por el líquido sobre la membrana. Si el tanque

es elevado y el medidor se sitúa a un nivel muy inferior, la columna de líquido que va desde el

nivel mínimo al medidor es mucho mayor que la propia variación del nivel, por lo cual, la

apreciación del mismo se hace sobre una parte muy pequeña de la escala. Para corregir este

inconveniente se utiliza un muelle de elevación que, en forma similar al de supresión, está

aplicado a la barra de equilibrio de fuerzas del transmisor y produce una fuerza que se ajusta

igual a la de la columna de líquido citada. El medidor de presión diferencial puede emplearse

también en la medida de interfases. La amplitud de la medida vendrá dada por la diferencia de

presiones sobre el diafragma del elemento, primero con el tanque lleno de líquido más denso y

después con el líquido menos denso.


60

Figura 3.10. Instrumentos de medición basados en la presión hidrostática. Medidor de presión diferencial

La precisión de los instrumentos de presión diferencial es de ± 0.5 % en los neumáticos,

± 0.2 % a ± 0.3% en los electrónicos, de ± 0.15 % en los inteligentes con señal de salida de 4-

20 mA de corriente continua y de ± 0.1 % en los que se emplean en los tanques abiertos y

cerrados a presión y a vacío. Una de sus principales ventajas es que no tienen partes móviles

dentro del tanque, son de fácil limpieza, precisos y confiables, admiten temperaturas del fluido

hasta 120º C y no son influidos por las fluctuaciones de presión.

Medidor Manométrico. El medidor manométrico consiste en un manómetro conectado

directamente a la parte inferior del tanque, donde además pueden observarse varios accesorios

como son una válvula de cierre para el mantenimiento del líquido, y un pote de decantación

con una válvula de purga. El manómetro mide la presión debida a la altura que existe entre el

nivel del tanque y el eje del instrumento.

Como las alturas son limitadas, el campo de medida es bastante pequeño, de modo que

el manómetro utilizado tiene un elemento de medida del tipo fuelle, frecuentemente para la

medición de presiones bajas. Este instrumento sólo sirve para fluidos limpios ya que si el

líquido es corrosivo, coagula o bien tiene sólidos en suspensión, el fuelle puede destruirse o

bien bloquearse perdiendo su elasticidad. Por otro parte, la medida está limitada a tanques

abiertos y el nivel viene influido por las variaciones de densidad del líquido.


61

Una variante emplea un transductor de presión suspendido de la parte superior del

tanque e inmerso en el líquido, transmitiendo la señal a través de un cable que acompaña al de

suspensión.

Medidor de Tipo Burbujeo. Los sistemas de burbujeo (o de purga continua) realizan la

medición de nivel determinando la presión requerida para que un flujo constante de aire venza

la presión hidrostática de un líquido. Al salir el aire, lo hace a manera de burbujeo, de ahí el

nombre del sistema. El medidor de tipo burbujeo es el más flexible y generalmente utilizado;

este instrumento coloca un tubo sumergido en el líquido, a través del cual se hace burbujear

aire mediante un rotámetro con regulador de caudal incorporado, que permite mantener un

caudal de aire constante a través del líquido, independientemente del nivel, como se ilustra en

la Figura 3.11. Si no existiera, habría una gran diferencia en los caudales de aire necesarios

desde el nivel mínimo al máximo, produciéndose un gasto de aire indebido. La tubería

empleada suele ser de ½ pulgada con el extremo biselado para una fácil formación de las

burbujas de aire. Un rotámetro es un medidor de caudal de área variable, en los cuales un

flotador cambia su posición dentro de un tubo, proporcionalmente al flujo del fluido. Cuando

las burbujas escapan del tubo, la presión del aire en el interior de la tubería, medido mediante

un manómetro de fuelles, corresponde a la presión máxima ejercida por el líquido. Por lo

tanto, si se mide la presión dentro del tubo, se obtiene la medición de nivel. De hecho, la

ubicación o elevación del extremo del tubo de burbujas se convierte en el nivel de medición

cero. Por ejemplo, si se sumerge un tubo de burbujas en un tanque a 3.66 metros de la

superficie del agua, se indicará una profundidad de 3.66 metros.

Las velocidades de purga del tubo de burbujas son muy bajas. Mientras una burbuja

escape periódicamente el sistema estará funcionando debidamente. Una velocidad común de

purga es de 0.5 pies cúbicos de aire libre por hora. En tanques cerrados se emplean dos juegos

rotámetro-regulador y con las señales de aire conectadas a un transmisor de presión

diferencial. Como es lógico, la presión del aire de purga debe ser superior a la presión interna

del tanque. Cabe destacar que no sólo se puede utilizar aire como fluido de purga, sino

también otro tipo de gases e incluso líquido. De hecho, algunos sistemas de purga utilizan


62

nitrógeno que es uno de los que más se usan a presión. Un cilindro estándar de 110 pies

cúbicos de nitrógeno para bombas de aceite comerciales puede proporcionar suficiente gas a

presión para asegurar el funcionamiento del tubo de burbujas durante más de tres semanas.

Figura 3.11. Instrumentos de medición basados en la presión hidrostática. Medidor Tipo Burbujeo

El tubo debe tener una longitud adecuada para evitar que las variaciones bruscas del

nivel introduzcan en su interior una cierta columna de líquido que retarde el paso del aire y

varíe momentáneamente la lectura. El método de burbujeo es simple y da buen resultado, en

particular, en el caso de líquidos muy corrosivos o con sólidos en suspensión y en emulsiones.

No es recomendable su empleo cuando el fluido de purga perjudica al líquido, tampoco para

fluidos altamente viscosos donde las burbujas formadas del aire o del gas de purga presentan

el riesgo de no separarse rápidamente del tubo. Desde el punto de vista de su mantenimiento,

es muy útil situar un tubo tipo T con un tapón en la parte superior del elemento para su

limpieza periódica.

3.2.2.2.3 Instrumentos basados en el desplazamiento


63

Medidor de nivel de tipo desplazamiento. Este tipo de medidor de nivel consiste en un

flotador parcialmente sumergido en el líquido y conectado mediante un brazo a un tubo de

torsión unido rígidamente al tanque. Dentro del tubo y unido a su extremo libre se encuentra

una varilla que transmite el movimiento de giro a un transmisor exterior al tanque. El tubo de

torsión se caracteriza fundamentalmente porque el ángulo de rotación de su extremo libre es

directamente proporcional a la fuerza aplicada, es decir, al momento ejercido por el flotador.

El movimiento angular del extremo libre del tubo de torsión es muy pequeño, del orden de los

9º. El tubo proporciona además un cierre hermético entre el flotador y el exterior del tanque

donde se dispone el instrumento receptor de la señal transmitida.

Según el principio de Arquímedes, el flotador sufre un empuje hacia arriba que viene

dado por la fórmula:

F = S H γ g Ecuación 3.9

Donde: F representa el empuje del líquido

S representa la sección del flotador

H representa la altura sumergida del flotador

γ representa la densidad del líquido

g representa la aceleración de la gravedad.

Las dimensiones relativas del flotador, es decir, longitud y diámetro, dependerán de la

amplitud de medida seleccionada. El instrumento sirve también para medir la densidad del

líquido y, en este caso, el flotador debe estar totalmente sumergido. Por otro lado, el cuerpo

del medidor puede estar montado directamente en el tanque (montaje interno) o en un tubo

vertical al lado del tanque (montaje exterior). El movimiento del brazo de torsión puede

transmitirse por medio de un eslabón a un transmisor neumático o electrónico de equilibrio de

fuerzas, permitiendo en la conexión una compensación mecánica o digital para el peso

específico del líquido, como se ilustra en la Figura 3.12.


64

Figura 3.12. Instrumentos de medición basados en el desplazamiento del fluido

La precisión es del orden de ± 0.5 % a ± 1 % y puede utilizarse en tanques abiertos y

cerrados a presión o a vacío, pero presenta el inconveniente del riesgo de depósito de sólidos

o de crecimiento de cristales en el flotador que afectan a la precisión de la medida y es apto

sólo para la medida de pequeñas diferencias de nivel, aproximadamente 2000 milímetros

máximo.

3.2.2.2.4 Instrumentos basados en características eléctricas del líquido

Medidor de nivel conductivo. Consta de una sonda con dos electrodos, cuando estos entran

en contacto con el líquido conductor se cierra un circuito eléctrico, que a través de la unidad

amplificadora conmuta un contacto, como se observa en la Figura 3.13. La conductividad del

fluido debe ser la suficiente como para excitar el circuito electrónico, y de este modo el

aparato puede discriminar la separación entre el líquido y su vapor. La impedancia o

resistencia mínima aparente del circuito es del orden de los 20 MΩ/cm, y la tensión de

alimentación es alterna para evitar fenómenos de oxidación en las sondas por causa del

fenómeno de la electrólisis. Cuando el líquido moja los electrodos se cierra el circuito

electrónico y circula una corriente segura del orden de los 2mA. El relé electrónico dispone de

un temporizador de retardo que impide su enclavamiento ante una ola del nivel del líquido o


65

ante cualquier perturbación momentánea o bien, en su lugar se disponen dos electrodos

levemente separados enclavados eléctricamente en el circuito.

Figura 3.13. Instrumentos basados en las características eléctricas. Medidor de nivel conductivo

El instrumento se emplea como alarma o control de nivel alto y bajo, utiliza relés

eléctricos para líquidos con buena conductividad, y relés con circuitos electrónicos para

líquidos con baja conductividad. El instrumento es versátil, sin partes móviles, su campo de

medida es grande con la limitación física de la longitud de los electrodos. El líquido contenido

en el tanque debe tener un mínimo de conductividad y si su naturaleza lo exige, la corriente

debe ser baja para evitar la deterioración del producto. Por otro lado, conviene que la

sensibilidad del aparato sea ajustable para detectar la presencia de componentes químicos que

generen espuma en caso que sea necesario.

Medidor de Capacidad. El principio de funcionamiento de este instrumento se basa en medir

la variación de capacitancia de un condensador cuando va variando el medio dieléctrico entre

sus placas. Con el depósito metálico e introduciendo una sonda metálica sin contacto entre

ambos, se forma un condensador como se ilustra en la Figura 3.14. Al variar el nivel de

líquido varía proporcionalmente la capacidad. Si el depósito no es metálico se introducen dos

sondas. El circuito electrónico, alimenta el electrodo a una frecuencia elevada, lo cual

disminuye la reactancia capacitiva del conjunto y permite aliviar en parte el inconveniente del

posible recubrimiento del electrodo por el producto.


66

El sistema es sencillo y apto para muchas clases de líquidos, sin embargo, hay que

señalar que en los fluidos conductores, los líquidos se encuentran en suspensión o emulsión y

las burbujas de aire o de vapor existentes, aumentan y disminuyen respectivamente la

constante dieléctrica del fluido dando lugar a un error máximo de 3% por cada tanto por ciento

de desplazamiento volumétrico. Por otro lado, al bajar el nivel, la porción aislante del

electrodo puede quedar recubierta de líquido y la capacidad adicional que ello representa da

lugar a un error considerable.

Figura 3.14. Instrumentos basados en las características eléctricas. Medidor de capacidad

La precisión de los transductores de capacidad es de ± 1 %, se usa como interruptores de

nivel en recipientes de líquidos conductores que no sean ni muy viscosos ni corrosivos,

aunque también se usa para medidas continuas. Se caracterizan por no tener partes móviles,

son ligeros, presentan una buena resistencia a la corrosión y son de fácil limpieza. Su campo

de medida es prácticamente ilimitado y pueden emplearse en la medida de nivel de interfases.

Tienen el inconveniente de que la temperatura puede afectar las constantes dieléctricas (0.1 %

de aumento de la constante dieléctrica / °C) y de que los posibles contaminantes contenidos en

el líquido pueden adherirse al electrodo variando su capacidad y finalmente variando la

lectura, en particular en el caso de los líquidos conductores. El funcionamiento del sistema a

una frecuencia elevada, o bien la incorporación de un circuito detector de fase, compensan en

parte este inconveniente.


67

Sistema Ultrasónico de Medición de Nivel. Constan de un medidor de ondas sonoras de alta

frecuencia de entre 20 y 40 KHz, que se propaga por la fase gas hasta que choca con el líquido

o sólido, se refleja y alcanza el receptor situado en el mismo punto que el emisor, como se

aprecia en la Figura 3.15. El tiempo entre la emisión de la onda y la recepción del eco es

inversamente proporcional al nivel. El tiempo depende de la temperatura, por lo que hay que

compensar las medidas. Hay que evitar que existan obstáculos en el recorrido de las ondas,

aunque algunos medidores compensan los ecos fijos debidos al perfil del depósito.

En las aplicaciones de medición de nivel, los sensores vibran a una frecuencia de

resonancia determinada, que se amortigua cuando el líquido los moja. En el segundo caso de

indicación continua de nivel, la fuente ultrasónica genera impulsos que son detectados por el

receptor una vez transcurrido el tiempo correspondiente de ida y vuelta de la onda a la

superficie del sólido o del líquido. El sensor emisor dispone de un oscilador excitador para

enviar un impulso ultrasónico a la superficie del fluido y el sensor receptor recibe esta señal

reflejada enviando una señal en función del tiempo transcurrido, y por lo tanto del nivel, a un

transmisor. En otras palabras, el nivel se mide en función del tiempo necesario para que la

señal se desplace del transmisor a la superficie del líquido y retorne al receptor.


68

Figura 3.15. Instrumentos basados en las características eléctricas. Sistema ultrasónico

La precisión de estos instrumentos es de ± 1 a 3 %. Son adecuados para todos los tipos

de tanques y de líquidos o fangos, pudiendo construirse a prueba de explosión. Presentan el

inconveniente de ser sensibles a la densidad de los fluidos y de dar señales erróneas cuando la

superficie del nivel del líquido no es nítida, como es el caso de un fluido que forme espuma o

que contengan gran cantidad de sólidos suspendidos, ya que se producen falsos ecos de los

ultrasonidos. La utilización de un ordenador o un sensor inteligente que permita establecer

parámetros de la medición, consigue almacenar el perfil ultrasónico del nivel y así tener en

cuenta las características particulares de la superficie del líquido, con lo cual se mejora la

precisión de la medida.

Sistema de medición por rayos gamma o medidor radiactivo: Este sistema de medición,

consiste en un emisor de rayos gamma montado verticalmente en un lado del tanque y un

contador Geiger, que transforma la radiación gamma recibida en una señal eléctrica de

corriente continua, como se apreci en la Figura 3.16. Como la transmisión de los rayos es

inversamente proporcional a la masa del líquido en el tanque, la radiación captada por el

receptor es inversamente proporcional al nivel del líquido ya que el material absorbe parte de

la energía emitida. La fuente radiactiva pierde igualmente su radioactividad en función

exponencial del tiempo. La vida media, es decir, el tiempo necesario para que el emisor pierda

la mitad de su actividad, varía según la fuente empleada.

Las paredes del tanque absorben parte de la radiación y al detector llega sólo un pequeño

porcentaje. Los detectores son, en general, tubos Geiger o detectores de cámara iónica y

utilizan amplificadores de corriente continua o de corriente alterna. El instrumento dispone de

compensación de temperatura, de linealización de la señal de salida y de reajuste de la pérdida

de actividad de la fuente de radiación, siendo este último de extrema importancia para

conservar la misma precisión de la puesta en marcha. Una de las desventajas en su aplicación

figuran el blindaje de la fuente y el cumplimiento de las leyes sobre protección de radiación.


69

Figura 3.16. Instrumentos basados en las características eléctricas. Rayos gamma

La precisión en la medida es de ± 0.5 a ± 2 % y el instrumento puede emplearse para

todo tipo de líquidos ya que no está en contacto con el proceso. Su lectura se encuentra

influida por el aire o por los gases disueltos en el líquido. El sistema se emplea en caso de

medida de nivel en tanques de acceso difícil o peligroso. Su ventaja se da cuando existen

presiones elevadas en el interior del tanque que impiden el empleo de otros sistemas de

medición. Sin embargo, el sistema es caro y la instalación no debe ofrecer peligro alguno de

contaminación radiactiva siendo necesario señalar debidamente las áreas donde están

instalados los instrumentos y realizar inspecciones periódicas de seguridad.

3.2.2.3 Selección. Además de las diferentes variables requeridas para la medición de nivel,

tales como masa, volumen, densidad, temperatura, viscosidad, existen otra serie de parámetros

que deben ser tenidos en cuenta para la selección del medidor adecuado, como se indican a

continuación. En la Tabla 3.3 se presenta los parámetros y características de los instrumento

de medición de nivel analizados. Las variaciones en las condiciones de proceso así como las

condiciones ambientales, han dado lugar a la aparición de múltiples tecnologías para la

medición de nivel.


70

El éxito en la medición de nivel, en la mayoría de los casos reside en la elección de la

tecnología más adecuada para la aplicación. Cada tecnología tiene características y

prestaciones que deben ser tomadas en cuenta antes de realizar la selección. Los dos

parámetros que tienen mayor influencia en la selección de la tecnología para la medición de

nivel son la presión y temperatura, pero existen otros factores a tener en cuenta:

• Variable requerida en el proceso: El sistema de control y monitoreo de nivel, para

el circuito de reciclaje de agua, esta comprendido en la optimización del líquido

para el proceso de perforación, tanto en la medición de nivel de agua en la tina de

acumulación, antes de entrar a la perforación, como también en la medición de

nivel de la tina del agua reciclada, de tal manera que se garantice el control sobre

los elementos actuadores del sistema.

• Precisión en la medida: La diversidad de instrumentos en el mercado, brindan una

amplia gama de variación en los dispositivos de medición, con las cuales vamos a

integrar a nuestro proceso. Específicamente, en lo correspondiente a la medición de

nivel de las tinas del proceso de reciclaje de agua, debemos considerar que la

precisión en la medida no es tan crítica, de tal manera que se puede considerar un

instrumento cuyo porcentaje de precisión sea moderado pero que cumpla con el

resto de características requeridas.

• Características del depósito: La primera fase del proceso de perforación esta

conformada por la acumulación del líquido, para lo cual se utiliza dos tinas

metálicas de 500 litros de capacidad cada una, colocada una sobre la otra. La

primera tina acumula el agua que viene desde la vertiente, mientras que en la

segunda tina se dosifica los fleculantes que van a actuar en la perforación. Un

bypass con una válvula de accionamiento manual esta instalada en la primera tina

de tal manera que cuando se alcanza la capacidad de este depósito el excedente del

líquido regresa hacia la vertiente causando el menor impacto posible a la zona de

perforación. Para la segunda fase, que corresponde al tratamiento del líquido de la

perforación, la tina utilizada para el reciclaje del agua tratada es de polietileno, su

estructura es cónica, con una capacidad de 2210 litros.


71

• Condiciones ambientales y características de la variable en el sistema: El proceso

se lo realiza a la intemperie, con una temperatura promedio de 20 grados

centígrados. El líquido utilizado no sufre drásticos cambios de temperatura al ser

transportado y pasar por las bombas centrífugas. El factor que se debe tomar en

cuenta para la selección del instrumento de medición de nivel, es el cambio

químico que sufre el agua al utilizar polímeros, fleculantes y los sólidos en

suspensión que pueden estar contenidos en el proceso.


72

Tabla 3.3. Comparación de los parámetros y características de los sensores de nivel

Instrumento Campo de medida

Precisión Presión max. [bar]

Temp max. del fluido [˚C]

Precio Observación

Flotador 0- 10 m ±1-2% 400 250 Bajo Independiente de la naturaleza del

líquido Manométrico Altura del

tanque ±1% 1 60 Bajo Utilización en

fluidos limpios Burbujeo Altura del

tanque ±1% 400 200 Bajo Mantenimiento y

contaminación del líquido

Presión Diferencial 0.3 m ±0.15 a 0.5% 150 200 Alto Para interfase con líquidos

Desplazamiento 0 – 25 m ±0.5% 100 170 Bajo Expuesto a corrosión

Conductivo limitado - 80 200 Bajo Aplicación en líquidos

conductores Capacitivo 0.6 m ±1% 80 -250 200 - 400 Alto Resistencia a la

corrosión Ultrasónico 0.3 m ±1% 400 200 Alto Sensible a la

densidad Radiación 0- 2.5 m ±0.5% - 170 Muy alto Uso de fuente

radiactiva


73

Para el caso del diseño en maqueta del circuito, se utiliza interruptores de nivel de

montaje vertical adaptados para actuar sobre dos niveles en las distintas tinas del circuito.

Estos interruptores trabajan hasta una temperatura máxima de 105˚C, presión máxima de 10

Bares y en diferentes tipos de líquidos debido a que su material de construcción es Tereptalato

de Polibutileno en el cuerpo del interruptor y una aleación de Buna-N con Epóxica en el

flotador. Los parámetros de funcionamiento y datos específicos de este instrumento están

descritos en las hojas técnicas correspondientes al interruptor de nivel WE Anderson F7- BT.

3.3 ELEMENTOS FINALES DE CONTROL

Los elementos finales de control son los dispositivos encargados de transformar una

señal de control en un flujo de masa o energía (variable manipulada). Es esta variable

manipulada la que incide en el proceso causando cambios de la variable controlada. Lo más

común en procesos es que la manipulación sea un caudal. Para ajustar el flujo de fluidos en

una línea existen primariamente dos mecanismos:

• Modificar la energía entregada al fluido (bombas y ventiladores de velocidad variable)

• Modificar la resistencia al paso del fluido (válvulas, registros en ductos de gases)

3.3.1 Válvulas de control

3.3.1.1 Características. La válvula de control es básicamente un orificio variable por efecto

de un actuador. Constituye el elemento final de control en más del 90 % de las aplicaciones

industriales. Estos elementos utilizan una señal externa que puede ser neumática o eléctrica y

posteriormente transformada en una de tipo mecánica que incide en el dispositivo de control

de la válvula, como se muestra en la Figura 3.17. Estos elementos los podemos considerar

constituidos por dos partes:

• Actuador: recibe la señal de controlador y la transforma en un desplazamiento (lineal

o rotacional) merced a un cambio en la presión ejercida sobre el diafragma.

• Cuerpo: el diafragma está ligado a un vástago o eje que hace que la sección de pasaje


74

del fluido cambie y con ésta el caudal.

Figura 3.17. Partes de una válvula de control

Con un diagrama en bloques, como se ilustra en la Figura 3.18, se puede representar a la

válvula como un sistema en serie.

Figura 3.18. Representación en diagrama de bloques de una válvula de control

Desde el punto de vista estático el actuador es moderadamente lineal y la dinámica más

significativa es la de llenado del cabezal con una constante de tiempo del orden de los


75

segundos. El cuerpo carece de retardo y la ganancia viene determinada por la característica de

flujo.

3.3.1.2 Especificación de válvulas. Especificar una válvula de control implica determinar las

siguientes características:

• Cuerpo e internos. indicando el tipo, material y serie que se fija de acuerdo al servicio

que debe prestar. También hay que indicar el diámetro que está relacionado con la

capacidad y a esto se lo denomina dimensionamiento. Por último, algunos tipos de

válvula permiten elegir la característica de flujo, como se analizó en el caso de los

elementos de medición de flujo al calcular el número de Reynolds.

• Actuador. una vez conocidos los detalles del cuerpo se debe elegir el tipo de motor

(neumático de cabezal o pistón, eléctrico, etc.), la acción ante falla y el tamaño.

• Accesorios. corresponde a elementos adicionales como transductores I/P o V/P,

volante para accionamiento manual y posicionador.

3.3.1.3 Funcionamiento. Existen diversos tipos de cuerpos, que se adaptan a la aplicación

según el diseño y movimiento del obturador, considerándose por estas características válvulas

de movimiento lineal y de movimiento rotatorio.

Válvula tipo globo. Este elemento se caracteriza por su alto costo en relación al coeficiente de

flujo de la válvula, su aplicación está limitada para fluidos con partículas en suspensión y sus

diámetros llegan hasta las 24 pulgadas. Esta disponible en diversos modelos como simple y

doble asiento, guiado en caja, entre otras. Las de simple asiento requieren de un actuador de

mayor tamaño de tal modo que el obturador cierre en contra de la presión diferencial del

proceso, como se ilustra en la Figura 3.19. Estas se utilizan cuando la presión del fluido es

baja y se necesita que las fugas en cierre sean bajas. Las válvulas de doble asiento se utilizan

cuando se precise alta presión diferencial en el fluido. Existen tipos especiales para

aplicaciones criogénicas, para vaporización o procesos específicos, su rangeabilidad es de 35:1

a 50:1 y existe una amplia disponibilidad según las características de flujo.


76

Figura 3.19. Válvula tipo globo

Válvula tipo mariposa. Este elemento tiene un cuerpo en forma de anillo cilíndrico y en su

interior gira un disco circular, cuyo eje de giro es controlado por un servomotor, como muestra

la Figura 3.20. Existe una buena disponibilidad para diferentes diámetros desde 2 hasta 150”.

Tiene un bajo costo en relación al coeficiente de flujo de la válvula. Las desventajas de estos

elementos son su susceptibilidad a cavitación3, ruido y el cierre hermético requiere de

recubrimientos especiales. Su ventaja es la baja pérdida de carga dentro del proceso.

Figura 3.20. Válvula tipo mariposa Válvula tipo esférica. Este tipo de elemento tiene cuerpo esférico que alberga un obturador en

forma de esfera, cuyo corte gira transversalmente bajo la acción de un servomotor, como se

observa en la Figura 3.21. Esta válvula es apta para el manejo de suspensiones muy viscosas o

con fibras y sólidos y utilizada por lo común en control todo o nada, su rangeabilidad típica es

de 50:1 y su desventaja es que necesita ser extraída de la línea del proceso para su

mantenimiento.

3 Efecto Hidrodinámico producido cuando el fluido pasa a gran velocidad por una arista afilada, generando descompresión del mismo


77

Figura 3.21. Válvula tipo esférica

Válvula tipo tapón. Este tipo de elemento efectúa su movimiento de obturación con un disco

plano, que se mueve verticalmente al flujo del fluido como se ilustra en la Figura 3.22.

Requiere de motores de gran tamaño y de posicionadores para su funcionamiento y por su

disposición es generalmente adecuada para control todo o nada porque en posiciones

intermedias tiende a bloquearse. Su rangeabilidad también se encuentra en 50:1.

Figura 3.22. Válvula tipo tapón Válvula tipo Sauders. Este elemento es ampliamente usado para el manejo de fluidos

corrosivos o erosivos. Su construcción es simple y consiste en un diafragma que mueve un

pistón, contiene un cierre hermético y las partes móviles no tienen contacto con el fluido,

como se muestra en la Figura 3.23. Su rango esta limitado para presiones y temperaturas de

trabajo elevadas y su rangeabilidad se encuentra entre 3:1 a 15:1.


78

Figura 3.23. Válvula tipo Sauders

3.3.1.4 Selección. Dimensionamiento de válvulas de control. Por dimensionamiento se

entiende la determinación del tamaño de la válvula, que viene dado por su diámetro. Es

evidente que hay razones económicas que hacen que esta tarea sea importante, por

consiguiente hay que tratar que este dispositivo tenga el tamaño adecuado y por lo tanto el

costo adecuado. Pero también hay razones técnicas, ya que válvulas sobre dimensionadas

pueden llegar a tener un pobre desempeño cuando trabajan en un lazo de control. El método

más aceptado para el dimensionamiento es conocido como el procedimiento de cálculo de

coeficiente de flujo, Cv y depende del tipo, diámetro y grado de apertura de este dispositivo.

Para dimensionar una válvula de control que se utiliza en líquidos mediante este

procedimiento se utiliza la siguiente ecuación:

γγ21 PPCvPvCvQ −

=Δ

= Ecuación 3.10

Donde: Q representa el caudal para líquidos [gal/min]

ΔPv representa la pérdida de carga en la válvula [psig]

P1 representa la presión aguas arriba [psia]

P2 representa la presión aguas abajo [psia]

γ representa la densidad relativa del líquido respecto del agua a la temperatura que

fluye


79

Esto sólo se aplica cuando el régimen de flujo es subcrítico y turbulento. Además, para

líquidos hay que verificar que no se produzca cavitación. Cuando hay vaporización parcial del

líquido, el régimen es crítico y se tiene en cuenta con una ecuación de dimensionamiento

distinta con un coeficiente adicional. Para un tipo determinado de válvula, el coeficiente Cv es

proporcionado por el fabricante y depende del diámetro (d) y de la apertura (x):

Cv = Cv(d,x)

Válvula cerrada x = 0 Cv = Cvmin Q = Qmin

Válvula totalmente abierta

x = 1 Cv = Cvmax Q = Qmax

Los datos que se precisan para dimensionar una válvula son:

• Presión aguas arriba y abajo de la válvula: Si la válvula se va a instalar en una línea

existente, esto se puede conocer, ya que existe el mecanismo de movimiento del fluido

(bombas, altura gravimétrica, colector de alta y baja presión). Si se está proyectando la

línea en la que se instala la válvula, se debe adoptar una pérdida de carga razonable. La

experiencia sugiere que la pérdida de carga ΔPV sea aproximadamente la tercera parte

de la perdida de carga total (incluida la válvula).

• Rango de caudales de trabajo: Se deben conocer entre que valores de flujos trabajará

en estado estacionario la válvula. Esto implica fijar el caudal de estado estacionario

mínimo y caudal de estado estacionario máximo. Para estos dos caudales habrá que

calcular los respectivos Cv (CvNmin, CvNmax), de las tablas proporcionadas por los

fabricantes se puede calcular la apertura en el rango de operación. Se debe escoger el

diámetro de modo que la válvula trabaje en el término medio de su carrera (30 al 70 %

de apertura), preferentemente lo más próximo al límite superior. Una práctica

recomendada es evaluar también el caudal máximo que pasará en condiciones de

máxima apertura.


80

3.3.1.5 Característica del Flujo. La relación entre el flujo que pasa por una válvula y su

apertura se denomina Característica de Flujo. Los fabricantes proveen lo que se denomina

Característica Inherente de Flujo, que es la relación caudal apertura para pérdida de carga

constante, es decir la relación de Cv con la apertura, su comportamiento se puede observar en

la Figura 3.24. Esta es una propiedad intrínseca de la válvula. Existen características

inherentes ampliamente difundidas entre los fabricantes las cuales se presentan a continuación

en la Tabla 3.4:

Tabla 3.4. Características inherentes del flujo

TIPO FORMULA TEORICA Igual porcentaje xa⋅= minCvCv(x)

Cvmin : es el coeficiente para x = 0 a: es el parámetro que depende de la amplitud de caudales que puede manejar la válvula

Parabólica Max

2 CvCv(x) ⋅= x CvMax : es el coeficiente para x = 1

Lineal MaxCvCv(x) ⋅= x CvMax : es el coeficiente para x = 1

Apertura rápida No esta descrita por una fórmula de aceptación generalizada.


81

Figura 3.24. Comportamiento de las características inherentes de flujo

La Característica de Flujo Instalada es la relación flujo apertura de la válvula en la línea

en las condiciones de trabajo. Cuando una válvula de control se instala en una planta de

proceso, su característica de flujo depende de la Característica Inherente y del resto del

sistema. El flujo a través de la válvula está sujeto a resistencia por fricción en la propia válvula

y en el resto de la línea como a continuación se muestra en la Figura 3.25.

Figura 3.25. Característica de Flujo Instalada En la Figura 3.26 se puede apreciar como cambia la pérdida de carga en la válvula

(ΔPV) y la de la línea (ΔPL) según el caudal que circula.


82

Figura 3.26. Pérdida de carga en la válvula Vs. Caudal

Para medir la influencia que ejerce la instalación en la característica de flujo de la

válvula se define el coeficiente:

maxmin

)aperturamenor laen valvula()abierta ntecompletame valvula(

V

V

V

V

PP

PP

ΔΔ

=ΔΔ

=α Ecuación 3.11

Y como:

maxVLVT PPPP Δ=Δ+Δ=Δ

Entonces si α es igual a 1, significa que toda la pérdida de carga se concentra en la

válvula independientemente del flujo que circule y por lo tanto la línea no tiene ninguna

influencia en la característica de flujo. Valores decrecientes de α indicaran una creciente

incidencia de la instalación. Entonces es evidente que la instalación puede tener una


83

influencia sustancial la característica de flujo instalada produciendo en algunos casos

importantes distorsiones respecto de la inherente.

La característica de flujo instalada es crucial ya que determina la ganancia de estado

estacionario del cuerpo de la válvula, y esta puede tener grandes cambios dependiendo del

punto particular de trabajo. La elección de la característica más apropiada deberá hacerse

según el criterio de escoger la característica que asegure una ganancia global del lazo lo más

constante dentro del rango de trabajo.

3.3.2 Bombas de Accionamiento Eléctrico

Una bomba es un dispositivo constituido por un conjunto de paletas rotatorias

perfectamente encajadas dentro de una cubierta metálica, de manera que son capaces de

impulsar al líquido que esté contenido dentro de la cubierta, gracias a la fuerza centrífuga que

se genera cuando giran las paletas. En los últimos años, gracias a las facilidades que se han

venido dando en el suministro de la energía eléctrica, el uso de las bombas se ha extendido de

gran manera. Dado que la mayoría de las bombas son impulsadas con motores eléctricos, esta

mejora en el flujo de la electricidad sobre el mecanismo, permitido que los diseñadores y

fabricantes de motores eléctricos puedan proveer diseños poderosos y confiables. Existen

bombas capaces de alcanzar de forma estable velocidades tan altas como 10.000 rpm y de

bombear contra alturas mayores de 100 metros impulsando hasta dos millones de litros por

minuto. Las bombas centrifugas tienen cientos de aplicaciones, estos dispositivos son

empleados en usos que van desde el simple desagüe de sótanos hasta la alimentación de aguas

blancas para una ciudad entera.

3.3.2.1 Características. Los elementos de que consta una instalación en la que se utilice una

bomba son:

• Una tubería de aspiración. Que concluye prácticamente en la brida de aspiración.


84

• El impulsor o rodete. Formado por un conjunto de álabes4 que pueden adoptar

diversas formas, según la misión a que vaya a ser destinada la bomba, los cuales giran

dentro de una carcasa circular. El rodete es accionado por un motor, y va unido

solidariamente al eje, siendo la parte móvil de la bomba. El líquido penetra axialmente

por la tubería de aspiración hasta la entrada del rodete, experimentando un cambio de

dirección brusco, pasando a radial, en las bombas centrífugas, o permaneciendo axial,

en las axiales, acelerándose y absorbiendo un trabajo. Los álabes del rodete someten a

las partículas de líquido a un movimiento de rotación muy rápido, siendo proyectadas

hacia el exterior por la fuerza centrífuga, creando una altura dinámica de forma que

abandonan el rodete hacia la voluta a gran velocidad, aumentando también su presión

en el impulsor según la distancia al eje. La elevación del líquido se produce por la

reacción entre éste y el rodete sometido al movimiento de rotación.

• La voluta. Es un órgano fijo que está dispuesta en forma de caracol alrededor del

rodete, a su salida, de tal manera que la separación entre ella y el rodete es mínima en

la parte superior, y va aumentando hasta que las partículas líquidas se encuentran

frente a la abertura de impulsión. Su misión es la de recoger el líquido que abandona el

rodete a gran velocidad, cambiar la dirección de su movimiento y encaminarle hacia la

brida de impulsión de la bomba. La voluta es también un transformador de energía, ya

que frena la velocidad del líquido, transformando parte de la energía dinámica creada

en el rodete en energía de presión, que crece a medida que el espacio entre el rodete y

la carcasa aumenta, presión que se suma a la alcanzada por el líquido en el rodete.

• Una tubería de impulsión. Instalada a la salida de la voluta, por la que el líquido es

evacuado a la presión y velocidad creadas en la bomba.

3.3.2.2 Motor Eléctrico. Estos motores son maquinas eléctricas que convierten la energía

eléctrica de alimentación del motor en energía mecánica que es entregada en su eje. Los

motores de las bombas son generalmente de tipo asíncrono, y más concretamente de jaula de

ardilla. El principio de funcionamiento de los motores asíncronos esta basado en la producción

de un campo magnético giratorio. Estos motores eléctricos están formados por un rotor, que

4 Cada una de las paletas curvas o perfiles aerodinámicos de una turbina


85

corresponde a la parte móvil y un estator, que es la parte fija del motor. El deslizamiento es la

diferencia de velocidad que se produce entre el rotor y el campo del estator.

La velocidad de sincronismo no se ve modificada con la variación de tensión. En un

motor en carga un aumento de la tensión conlleva una disminución del deslizamiento y por lo

tanto aumenta la velocidad del rotor. Por el contrario si la tensión de alimentación decrece,

aumenta el deslizamiento y la velocidad de rotor disminuye. En estos motores el par de

arranque es proporcional al cuadrado de la tensión, aumenta cuando la tensión es más elevada.

La intensidad en el arranque es proporcional a la tensión de alimentación.

La velocidad en los motes asíncronos trifásicos no esta influenciada por las variaciones

de tensión, siempre que el motor este en vacío, pero si es proporcional a la frecuencia e

inversamente proporcional al número de polos que constituye el estator.

PfN ⋅

=60

Ecuación 3.12

Donde: N Representa la velocidad de sincronismo [r.p.m.]

f Representa la frecuencia [Hz]

P Representa el número de pares de polos

Para las frecuencias industriales de 50 Hz y 60 Hz, las velocidades de rotación del

campo giratorio o de sincronismo, en función del número de pares de polos del estator, se

representan en la Tabla 3.5.

Tabla 3.5. Velocidades de rotación del campo giratorio

P 50 Hz 60 Hz


86

1 3.000 r.p.m. 3.600 r.p.m.

2 1.500 r.p.m 1.800 r.p.m.

3 1.000 r.p.m. 1.200 r.p.m.

4 750 r.p.m. 900 r.p.m.

5 600 r.p.m. 720 r.p.m.

6 500 r.p.m. 600 r.p.m.

En los tipos de arranques del motor se debe considerar de las corrientes de arranque y las

condiciones del mismo. De igual modo tender al aprovechamiento y ahorro energético

consiguiendo la máxima eficiencia energética de los mismos, a lo que se puede ya adelantar

para tener en cuenta en la selección, que el máximo rendimiento se obtiene con el motor

trabajando a plena carga. De igual modo tienen mayor rendimiento los motores que giran a

velocidades más altas. Por el contrario a mayor velocidad su vida útil es menor. Por otro lado

debemos de procurar la máxima eficiencia económica, y ello se consigue con el mayor ahorro

energético, directamente relacionado con el concepto de rendimiento; recordando que

eficiencia es la capacidad de realizar una acción con el menor gasto de recursos de energía.

También habrá que tener en cuenta los gastos de mantenimiento y de adquisición de los

equipos. Si tenemos en cuenta el costo que arroja una instalación de bombeo desde la

adquisición de los equipos hasta el fin de su vida útil tenemos aproximadamente: gastos de

adquisición de equipos 2%, gastos de mantenimiento 5% y gastos de energía: 93%; lo que nos

indica que, donde debemos tener una mayor incidencia a la hora de seleccionar los equipos es

en la eficiencia energética de los mismos. Es importante considerar que paralelo a estos

criterios, se razone la fiabilidad técnica de los elementos, ya que de ella dependerá la calidad y

regularidad del suministro.



87

Bombas radiales, axiales y diagonales: Se ha considerado como bombas centrífugas desde

las propiamente centrífugas o radiales, en las que la energía se cede al líquido esencialmente

mediante la acción de la fuerza centrífuga, hasta las axiales, en las que la energía se cede al

líquido por la impulsión ejercida por los álabes sobre el mismo. En las bombas centrífugas

radiales la corriente líquida se verifica en planos radiales, en las axiales en superficies

cilíndricas alrededor del eje de rotación y de flujo mixto en las diagonales radial y axialmente.

El tipo de una bomba que atiende al diseño hidráulico del rodete impulsor, viene

caracterizado por su velocidad específica, calculada en el punto de funcionamiento de diseño,

es decir, en el punto de máximo rendimiento de la curva característica. El número específico

de revoluciones es constante para un impulsor determinado, para cualquier velocidad de giro.

Su valor no se modifica al alterar las dimensiones del impulsor, ya que todos los impulsores

geométricamente semejantes con un rendimiento aceptable tienen la misma velocidad

específica, aunque pueden admitir ligeras variaciones en el ángulo de salida o la forma del

álabe. La velocidad específica del impulsor es un índice de su geometría y proporciona una

idea de sus dimensiones principales. La relación entre los diámetros de entrada y salida.

La forma de los álabes en los impulsores de flujo radial es, en general, curvada hacia

atrás con respecto al sentido de giro y con superficies de simple curvatura, siendo la

generatriz paralela al eje de rotación; en los impulsores helicoidales, los álabes son de doble

curvatura y en los axiales tienen, además, un determinado perfil aerodinámico.

Bombas de impulsor abierto, semiabierto y cerrado: Según su diseño mecánico o

estructural, se pueden distinguir tres tipos de impulsores como se ilustra en Figura 3.27: de

álabes aislados (abiertos), con una pared o disco lateral de apoyo (semiabiertos) o con ambas

paredes laterales (cerrados). Esta clasificación es independiente de la anterior, que se refiere al

tipo de diseño hidráulico, por lo que en esta nueva clasificación puede haber impulsores

centrífugos y de flujo mixto, abiertos, semiabiertos o cerrados.


88

Figura 3.27. Bombas de impulsor abierto, semiabierto y cerrado

Los impulsores axiales, por su misma estructura, sólo pueden ser semiabiertos o

cerrados, ya que sus álabes se pueden considerar como apoyados lateralmente en el eje de

rotación, que hace las veces de cubo del impulsor, como si fuese la pared posterior de los

radiales y diagonales.

Impulsores abiertos. En un impulsor abierto, los álabes desnudos van unidos únicamente al

eje de giro y se mueven entre dos paredes laterales fijas pertenecientes a la carcasa de la

bomba, con tolerancias laterales lo más estrechas posibles para evitar fugas, como se observa

en la Figura 3.28.


89

Figura 3.28. Empuje axial en impulsor abierto con álabes posteriores

Esta construcción es mecánicamente débil, por el largo voladizo en que trabajan los

álabes, por lo que estos impulsores disponen siempre de una fracción de pared posterior para

dar a los álabes la rigidez necesaria. En la práctica no se hace distinción entre impulsores

abiertos y semiabiertos, designando a ambos como abiertos, en oposición a los cerrados. Los

impulsores abiertos se utilizan en algunas bombas radiales pequeñas y para el bombeo de

líquidos abrasivos.

Las ventajas del impulsor abierto son la menor tendencia a obstruirse que le hace

adecuado para líquidos sucios; el menor roce hidráulico del disco, al tener sólo una pared

girando, de lo que se deduce un buen rendimiento; una mayor accesibilidad de los álabes para

el mecanizado, lo que permite conseguir mejores acabados y una mayor facilidad de

construcción, con modelos más sencillos, por lo que se puede utilizar una mayor variedad de

materiales constructivos con un coste menor de fabricación.

Aunque al principio los impulsores se hacían abiertos, de doble aspiración, hoy en día

han caído en desuso por dificultades de ajuste y la mayoría se fabrican de aspiración simple.

Impulsores semiabiertos. Los impulsores con una sola pared lateral, que siempre es la

posterior, se emplean con cierta frecuencia, destacando las bombas de flujo mixto y todas las

axiales. Al igual que en los abiertos, su buen rendimiento está basado en una tolerancia lateral


90

muy estrecha, del orden de 0,3 mm, que evita fugas de la periferia al centro y en los canales

del impulsor entre sí. Estas fugas son tanto mayores cuanto menos viscoso es el líquido por lo

que con líquidos algo viscosos el caudal y la altura pueden aumentar, a pesar de las mayores

pérdidas por rozamiento, lo que les hace más apropiados que los abiertos para trabajar con

líquidos a altas temperaturas.

El desgaste del impulsor es proporcional a la velocidad relativa del líquido y no es

radialmente uniforme, sino algo mayor en la periferia; cuando el juego lateral se hace grande

por el desgaste, hay que cambiar el impulsor. Para el servicio con líquidos abrasivos algunas

veces se disponen placas laterales de desgaste de fácil intercambio, construidas con materiales

especiales como el acero inoxidable que tiene mayor dureza, que no resulta costoso, ya que la

carcasa de la bomba sigue siendo de fundición.

La escasa tolerancia lateral del impulsor hace que una posible desviación del eje pueda

tener graves consecuencias, al igual que las dilataciones o contracciones anormales, que en

esta situación tienen mucha mayor importancia que en los impulsores cerrados. El empuje

axial en los impulsores abiertos es mayor que en los cerrados, pues la parte anterior está

sometida a una presión media menor; para eliminar este defecto se les provee de álabes

posteriores, que disminuyen en gran manera la presión media en la cara posterior. También

sirven para evitar que el líquido quede estancado cerca del eje y empaquetaduras, ya que si el

líquido fuese abrasivo podría resultar muy perjudicial.

Impulsores cerrados. Los impulsores cerrados tienen los álabes colocados entre dos paredes

laterales, anterior o de aspiración y posterior, como se ilustra en la Figura 3.29. El estrecho

margen de tolerancias existente para evitar fugas de retroceso entre la impulsión y la

aspiración suele ser axial y está constituida por unas superficies anulares muy próximas,

situadas alrededor del orificio de aspiración (oído del impulsor) y formadas por los aros de

cierre, uno montado en la carcasa y el otro que gira montado en el impulsor.


91

La principal ventaja de esta solución es que los aros de cierre se pueden cambiar

fácilmente cuando se desgastan, recuperando la tolerancia primitiva, evitando así fugas

mayores. Respecto al desgaste, se pueden hacer de materiales especiales para condiciones de

funcionamiento y servicio particularmente duras. A menudo, en vez de estos aros dobles se

utiliza sólo un aro montado en la carcasa, de forma que la superficie rozante móvil pertenece

al propio impulsor; en estos casos, en el impulsor se deja material suficiente para poder

rectificar su superficie desgastada, si procede, cambiando el aro de la carcasa por uno nuevo

de diámetro ligeramente diferente, de forma que deje el juego conveniente con el impulsor.

Los impulsores de doble aspiración llevan aros de cierre en los dos oídos; sus ventajas

son, ausencia de empuje axial y una mayor capacidad de aspiración. Se pueden considerar

como dos impulsores de aspiración simple, opuestos y en paralelo.

a b

Figura 3.29. a) Impulsor con álabes radiales. b) Empuje axial de impulsor cerrado

Los impulsores de simple aspiración, cuando están provistos en la parte posterior de una

cámara de equilibrado del empuje hidráulico axial en comunicación con la aspiración a través

de los agujeros de equilibrio, sólo tienen aros a ambos lados, lo que implica una desventaja

para el equilibrado que, hidráulicamente, es bastante eficaz. Los impulsores cerrados pueden

resistir mucho mejor cualquier flexión del eje, o contracciones y dilataciones mayores de las

previstas, por lo que son más adecuados para servicios de altas temperaturas.


92

Tienen la desventaja de que sus canales son normalmente inaccesibles para cualquier

tipo de mecanizado, lo que exige métodos constructivos especiales más difíciles que en los

abiertos. Hidráulicamente, el rozamiento de disco al tener el impulsor dos paredes, es doble

que en los abiertos, pero las pérdidas volumétricas son menores. La posibilidad de obstrucción

con líquidos sucios es mayor y para ello se diseñan impulsores especiales con oído de gran

área, canales lo más amplios posibles, pequeño número de álabes, 2 ó 3, y éstos con los bordes

de entrada redondeados.

3.3.2.4 Selección. Para la selección de una bomba debemos conocer el conjunto de

parámetros que permiten dimensionar a este elemento.

Caudal de impulsión de la bomba. Es el volumen útil suministrado por la bomba en la

unidad de tiempo en m3/s o m3/h. El líquido de compensación así como el de goteo no están

contenidos en el caudal de la bomba, es decir, no han de tenerse en cuenta al seleccionarla.

Altura de impulsión de la bomba. Es el trabajo mecánico utilizable transmitido por la bomba

al líquido que impulsa, relacionado con el peso del mismo, expresado en metros.

Dicha altura es independiente de la densidad del producto bombeado, es decir, una bomba

centrífuga impulsa el líquido que bombea a una misma altura H, cualquiera que sea la

densidad de éste. La densidad ρ determina la presión en la bomba e interviene en la potencia

absorbida por la misma.

Altura de impulsión de la instalación. La altura manométrica de la instalación HA en la

práctica esta determinada por la siguiente fórmula.

∑+= vgeoA HHH

Donde: Hgeo representa la altura geodésica de impulsión y es igual diferencia de altura entre

los niveles del líquido en aspiración e impulsión. Si la tubería de impulsión vierte por

encima del nivel del líquido, esta altura geodésica estará referida al eje horizontal de la

salida.


93

∑Hv representa la de suma de todas las pérdidas de carga del sistema (Resistencias en

la tubería, válvulas y demás accesorios, tanto en la línea de aspiración como en la

impulsión).

Elección del tamaño de bomba. Se conocen los datos necesarios, caudal y altura de

impulsión, del punto de servicio deseado, así como la frecuencia de la red. Con ellos el tamaño

de bomba y su velocidad de entre el campo de curvas disponibles, denominado también

diagrama de conjunto. Después se obtendrán las magnitudes restantes de la bomba elegida

como rendimiento o eficiencia η, potencia absorbida P, etc. En tanto no exista otra razón

especial en la elección, se tratará de que el punto de trabajo quede situado tan próximo como

sea posible al de rendimiento óptimo de la bomba.

Potencia absorbida por la bomba. La potencia absorbida por una bomba centrífuga es la

requerida por esta en su acoplamiento o al eje de la máquina de accionamiento, potencia

mecánica que se obtiene mediante la ecuación 3.13:

][367

KWHQPη

ρ⋅⋅⋅

= Ecuación 3.13

Donde: ρ Representa la densidad [Kg/dm3]

Q Representa el caudal [m3/h]

H Representa la altura de impulsión de la bomba [m]

La potencia absorbida por la bomba P puede obtenerse también, con bastante exactitud,

de la curva característica de la bomba para una densidad ρ = 1.0 Kg. /dm3. Si la densidad ρ

fuera otra, se modifica la potencia resultante de la curva.

Determinación de la potencia del motor: Debido a las fluctuaciones de flujo previsibles en

la instalación, fluctúa también el punto de trabajo de la bomba que, en determinadas

circunstancias implica el aumento de la potencia absorbida por la bomba, en la práctica y salvo


94

que existan otras prescripciones por parte del cliente, al seleccionar la potencia nominal del

motor se prevén los incrementos siguientes:

• Hasta 7,5 Kw., aproximadamente 20%

• Desde 7,5 hasta 40 Kw., aproximadamente 15%

• Desde 40 Kw., aproximadamente 10% incremento de potencia

Ante la posibilidad de extremas variaciones de volumen, ha de elegirse la potencia del

motor con arreglo al caudal máximo posible de la curva, teniendo en cuenta:

• El diámetro de rodete necesario

• El valor permisible por el soporte cojinete

Para la impulsión de líquidos con alto contenido de sólidos así como de medios espesos,

es necesario recurrir a bombas especiales, con rodetes también especiales.

Para la simulación del proceso en la maqueta, se utiliza cuatro bombas; tres que

corresponden al control de nivel en las tinas del circuito y la cuarta que corresponde al control

de flujo que ingresa a la perforación. En lo que concierne al control del nivel, las bombas que

controlan el paso de líquido desde la tina de acumulación hacia la tina de dosificación y la

bomba que activa el flujo del líquido hacia el bypass (retorno a la vertiente), actúan en servicio

de descarga para tubería de media pulgada, con una potencia de 18W y un caudal máximo de

237GPH. En el caso del control del nivel para la tina del líquido reciclado, se utiliza una

bomba sumergible en servicio de descarga, en cuyo caso alcanza una altura máxima de 1.6

metros para tubería de media pulgada, con una potencia de 28W y un caudal máximo de

317GPH. Las especificaciones técnicas de estos elementos están en las hojas técnicas

correspondientes a las bombas Springbrunnen modelos FP12V-18 y FP12V-28.

Para el control de flujo hacia la perforación, se utiliza una bomba sumergible en

servicio de descarga, para tubería de media pulgada, con una potencia de 30W y un caudal de

360GPH. Las especificaciones técnicas del elemento se encuentra en las hojas técnicas


95

correspondientes a la bomba sumergible de la marca Rule Industries modelo para uso marino

Rule360.

CAPITULO 4 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL 96

CAPÍTULO 4

DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL

Al llevar a cabo la función de control, el controlador automático usa la diferencia

entre el valor de consigna y las señales de medición para obtener la señal de salida hacia el

elemento de control. La precisión y capacidad de respuesta de estas señales es la limitación

básica en la habilidad del sistema para controlar correctamente la medición. Si el

sensor/transmisor no envía una señal precisa, o si existe un retraso en la medición de la

señal, la destreza del controlador para manipular el proceso será degradada. Al mismo

tiempo, el controlador debe recibir una señal de valor de consigna precisa conocida

comúnmente como setpoint. En controladores que usan señales de valor de consigna

eléctrica y se generan dentro del controlador, una falla de calibración del transmisor

resultará necesariamente en que la unidad de control automático llevará a la medición un

valor erróneo.

Para que un sistema de control sea calificado como funcional, se debe considerar los

siguientes criterios para su diseño:

• Estabilidad. Debe ser estable indefectiblemente, considerando que un sistema es

estable cuando para una entrada suficientemente acotada la salida es también

acotada, es decir, para control de procesos la única condición aceptable es la que no

tiene defecto. La indiferente debe ser tratada como inestable, pues no deja margen

de seguridad.

• Precisión. La precisión es un valor estadístico y no es equivalente a la exactitud.

Exactitud es el grado de correspondencia con un valor verdadero, que se supone

que existe y su valor es absoluto. Precisión es el resultado de una sucesión de

ensayos bajo las mismas condiciones, misma entrada, y se lo pondera mediante una

curva que ilustra la dispersión de los resultados en base a su variancia y por esta

razón, su valor es estadístico. Para los sistemas de control de procesos, excepto que


se trate de variables que representen en forma directa el control de calidad, como es

el caso de variables llamadas analíticas, lo importante es tener precisión en el

sistema de control. Se completa este concepto, con otro criterio a tomarse en

cuenta, la repetibilidad. Este concepto es la permanencia de la precisión en el

tiempo. La precisión se verifica en ensayos repetidos en una sucesión, en tal

interpretación, conlleva verificar la vigencia de esa característica luego de semanas

o meses de uso normal en planta. Para demandar precisión a un sistema de control

y lograr que haya poca dispersión de sus valores, el producto de todas las

ganancias estáticas de los componentes del lazo debe ser alto, lo que define una

mayor acción para pequeñas entradas.

• Velocidad de respuesta. Es la velocidad con la que el sistema se recupera del

efecto de una perturbación. De este concepto surge que si se busca mayor velocidad

de retorno a la condición en que estaba antes de ser perturbado, se debe aplicar

acciones correctivas más fuertes. La búsqueda de ese tipo de soluciones es la

técnica fundamental del éxito de un sistema de control.

• Rapidez del sistema controlador frente al sistema controlado. Se establece

como el tiempo que requiere el sistema controlador, desde que detecta un cambio

en la variable directamente controlada, hasta que actúa mediante el elemento de

control; debe ser despreciable frente al tiempo necesario para que esta acción se

aprecie en la salida del proceso. Para esta condición se puede decir que

afortunadamente, el proceso del agua utilizada para la perforación se cumple con

relativa facilidad.

• Sensibilidad. Este criterio explica la dependencia de una variable con respecto a

otra, puesto que en un sistema existen variables manipuladas, otras controladas y

otras perturbadoras, es inevitable que la acción de una repercuta sobre las otras, por

ello la necesidad de conocer e identificar cada variable a fin de conocer su

naturaleza antes mencionada.


4.1 CARACTERIZACIÓN DEL PROCESO

4.1.1 Selección de la acción del controlador

Dependiendo de la acción en el elemento final de control, un incremento en la

variable medida puede requerir incrementos o disminuciones del valor de salida para el

control del proceso. Todos los controladores pueden ser conmutados entre una acción

directa o reversa; la acción directa significa que cuando el controlador ve un incremento de

señal desde el transmisor, su salida se incrementa; mientras que la acción inversa significa

que un incremento en las señales de medición hacen que la señal de salida disminuya. Para

determinar cuál de estas salidas es la correcta, debe ser llevado a cabo un análisis en los

lazos de control del proceso.

El primer paso es determinar las acciones de los elementos de control, en la tina de

acumulación en el circuito del agua para la perforación. Por razones de seguridad en la

perforación y para certificar el flujo continuo del líquido en el proceso debido a su

criticidad en el uso del agua, el sistema debe garantizar la existencia del líquido en el

circuito, si existe un fallo en la instrumentación o en el funcionamiento del elemento de

control; por lo tanto, el diseño comprenderá válvulas de accionamiento manual para

proveer de líquido al proceso. En el segundo paso, se considera el efecto de un cambio en

la medición del flujo dentro del proceso. Si es necesario incrementar el caudal del líquido

hacia el sistema de inyección de agua, debido a la existencia de infiltración de líquido en la

perforación, la medición indicará la disminución de flujo del líquido que sale del rig hacia

la tina de tratamiento de reciclaje, por tanto, la señal del controlador automático hacia la

bomba debe aumentar, es decir el controlador requiere acción inversa.

4.1.2 Variaciones

Cualquiera de los siguientes eventos podría ocurrir requiriendo un caudal diferente

para el proceso de perforación. Primero, si la posición de la válvula manual fuera cerrada

ligeramente, entonces un flujo menor del requerido afectaría al sistema, haciendo que el

proceso caiga. Este es un cambio bajo demanda, y para restaurar el balance, la bomba de


control con accionamiento eléctrico, el sensor/transmisor y la válvula manual deberán ser

colocadas correctamente para proveer el ingreso efectivo del líquido. Un segundo tipo de

condición de desbalance sería un cambio en el valor de consigna o setpoint y el tercer tipo

de variación sería un cambio en el suministro de agua, si la presión de salida de la bomba

que lleva el líquido desde la vertiente se incrementara, aún si la bombas de control en las

tinas de acumulación se mantuvieran en su caudal, el incremento de presión causaría un

mayor flujo de líquido, haciendo que el nivel en la tina comience a elevarse a mayor

rapidez, por lo que se debe considerar esta variación repentina con un controlador rápido

que garantice el control de nivel en el sistema.

4.1.3 Características del proceso y controlabilidad

El controlador automático usa cambios en la posición del actuador final para

controlar la señal de medición, moviendo el actuador para oponerse a cualquier cambio que

observe en la señal de medición. La controlabilidad de cualquier proceso es función de lo

bien que una señal de medición responde a éstos cambios en la salida del controlador; para

un buen control la medición debería comenzar a responde en forma rápida, pero luego no

cambiar rápidamente. Todos los procesos pueden ser descritos por una relación entre las

entradas y las salidas. Por lo general, en los procesos no hay una respuesta inmediata en la

indicación de la variable al inicio del sistema de control, luego la respuesta comienza a

cambiar, se eleva rápidamente y se aproxima al final a un nivel constante. El proceso

puede ser caracterizado por dos elementos de su respuesta, el primero es el tiempo muerto,

o sea el tiempo antes de que la medición comience a responder. El tiempo muerto es una

función de las dimensiones físicas de un proceso y parámetros tales como las velocidades

de respuesta de los instrumentos y de sus regímenes de trabajo. El segundo elemento de

respuesta que caracteriza en la capacidad de un proceso es el material o energía que debe

ingresar o abandonar el proceso para cambiar las mediciones, por ejemplo, el volumen de

agua necesario para cambiar el nivel; la medición de una capacidad es su respuesta para un

paso de entrada. Específicamente, el tamaño de una capacidad es medida por una constante

de tiempo, que es definido como el necesario para completar el 63% de su respuesta total.

La constante de tiempo es una función del tamaño del proceso y del régimen de

transferencia de material o energía. Para el caso del sistema de este proyecto, cuanto más


grande sea la tina de acumulación y menor el caudal de agua requerido para el proceso de

perforación, mayor será la constante de tiempo. Combinados con el tiempo muerto, los

mismos definen cuanto tiempo lleva para que la señal responda a cambios en la posición

del elemento de control. Un proceso puede comenzar a responder rápidamente, pero no

cambiar muy rápido si su tiempo muerto es pequeño y su capacidad muy grande. En

resumen, cuanto mayor sea la constante de tiempo de la capacidad comparada con el

tiempo muerto, mejor será la controlabilidad del proceso.

4.1.4 Variables

Se define como variable a todo aquel parámetro físico cuyo valor puede ser medido,

controlado y modificado en sus cuantificaciones. En el control de procesos se definen las

siguientes variables ilustradas en la Figura 4.1:

• Variable Controlada: Es aquella que se busca mantener constante o con cambios

mínimos. Su valor debe seguir al valor de consigna o setpoint.

• Variable Manipulada: A través de esta se debe corregir el efecto de las

perturbaciones. Sobre esta se colocará el actuador.

• Variable Perturbadora: Esta dado por los cambios repentinos que sufre el sistema y

que provocan inestabilidad.

• Variable Medida: Es toda variable adicional, cuyo valor es necesario registrar y

monitorear, pero que no es necesario controlar.

Figura 4.1. Variables en el control automático de procesos


4.1.5 Modelamiento matemático

Existe métodos a través de los cuales los sistemas de control pueden ser

representados por medio de funciones matemáticas, esta representación recibe el nombre

de modelamiento matemático, este modelo describirá las características dinámicas del

sistema a través de ecuaciones diferenciales. El modelamiento puede ser analítico, cuando

se aplica las leyes físicas correspondientes a cada componente del sistema, que en conjunto

forman una estructura o función matemática; o experimental, que consiste en la

identificación de los parámetros, mediante el análisis de datos de entrada y salida,

estimando valores posibles que se ajusten al sistema.

A partir del modelamiento matemático, se puede llegar a una función que represente

la relación entre la salida y entrada del sistema, esta función se denomina Función de

Transferencia. El proceso experimental es denominado Identificación de Sistemas, y

corresponde a la planta o proceso que se desea analizar, consiste en recoger datos de la

variable de salida con su correspondiente dato de entrada que provocó dicha salida, para

luego mediante algoritmos matemáticos aproximar una función de transferencia, la cual

debe generar una salida estimada similar a la salida censada, y dependiendo de la

diferencia entre ambas, conocida como error, se dará validez a la función obtenida o se

tendrá que calcular con nuevos valores en los algoritmos matemáticos de análisis.

El modelamiento matemático que se propone para el sistema del circuito de agua

para perforación, es un modelo dinámico correspondiente a tinas en serie con un sistema

no interactivo cuyas funciones de transferencia están determinadas por las variables nivel y

flujo de los tanques en serie, como se observa en la Figura 4.2. En el proceso las tinas

están abiertas a las condiciones atmosféricas y la temperatura varía inapreciablemente sin

afectar al proceso.


Figura 4.2. Sistema no-interactivo del circuito de agua para la perforación

Utilizando la ecuación de potencia absorbida por la bomba, tanto en servicio de

descarga como de succión y considerando que no existen pérdidas en la tubería y

accesorios, los flujos a través de las bombas son:

)(D´

)(367)( B

ththPtq =

⋅⋅⋅

=ρ

η Ecuación 4.1

Donde: P representa la potencia de absorción de la bomba

η representa el rendimiento de la bomba

ρ representa la densidad del líquido

D´B representa la operación de todas las anteriores constantes

h(t) representa la altura de carga y succión de la instalación variable en el tiempo

Considerando el balance de masa de estado dinámico para el primer tanque, se

obtiene:

dttdhAtqtqtqtq oi)()()()()( 1

113 ⋅⋅=⋅−⋅−⋅+⋅ ρρρρρ Ecuación 4.2

El balance de masa de estado dinámico para el segundo tanque es:

dttdhAtqtq )()()( 2

221 ⋅⋅=⋅−⋅ ρρρ Ecuación 4.3

Y para el tercer tanque, esta dado por:


dttdh

Atqtq p)(

)()( 333 ⋅⋅=⋅−⋅ ρρρ Ecuación 4.4

Donde: qi(t) representa el flujo de entrada al circuito

qo(t) representa el flujo de salida del circuito

qp(t) representa el flujo de salida de la perforación

q1(t) representa el flujo en la bomba 1



h1(t) representa la altura en el tanque 1



ρ representa la densidad del líquido

A1, A2 y A3 representan las áreas transversales de los tanques 1, 2 y 3

De la expresión de la bomba se obtiene las siguientes ecuaciones:

)()(

1

1'

1 thDtq B= Ecuación 4.5

)()(

2

2'


)()(

3

3'


Substituyendo las ecuaciones 4.5, 4.6 y 4.7 en 4.2, 4.3 y 4.4, se tendrán:

dttdhA

thDtq

thD

tq Bo

Bi

)()(

)()(

)( 11

1

1'

3

'3 ⋅=−−+ Ecuación 4.8

dttdhA

thD

thD BB )(

)()(2

22

2'

1

1'

⋅=− Ecuación 4.9

dttdh

Ath

Dtq Bp

)()(

)( 33

3

3'

⋅=− Ecuación 4.10

Este grupo de ecuaciones representa al proceso. Debido a que su comportamiento no

es lineal y se desea obtener las funciones de transferencia, el procedimiento que se debe


seguir es linealizar las ecuaciones y obtener cada variable de desviación, de lo que se

obtiene:

dttdHAtHDtQtHDtQ oi)()()()()( 1

11133 ⋅=⋅−−⋅+ Ecuación 4.11

dttdHAtHDtHD )()()( 2

22211 ⋅=⋅−⋅ Ecuación 4.12

dttdH

AtHDtQp)(

)()( 3333 ⋅=⋅− Ecuación 4.13

Los coeficientes de las anteriores ecuaciones que son linealizadas, se obtienen de las

derivadas parciales con respecto a cada altura variable en el tiempo de los diferentes

tanques, donde:

( ) 211

'

1

1'

11

11 )()()(

)( −⋅−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=∂∂

= hDth

Dthth

tqD B

ss

B

ss

( )

( ) 233

'

3

3'

33

33

222

'

2

2'

22

22

)()()()(

)()()()(

−

−

⋅−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=∂∂

=

⋅−=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

=∂∂

=

hDth

Dthth

tqD

hDth

Dthth

tqD

B

ss

B

ss

B

ss

B

ss

Donde las variables de desviación son:

333

222

111

)()()()()()(

)()()()(

)()(

hthtHhthtHhthtH

qtqtQqtqtQ

qtqtQ

ppp

ooo

iii

−=

−=

−=

−=

−=

−=

Reordenando la ecuación 4.11 y dividiendo para el coeficiente D1 se obtiene:


)()(1)(1)()(

)()()()()(

31

2

111

1

1

1

32111

1

tHDDtQ

DtQ

DtH

dttdH

DA

tHDtQtQtHDdt

tdHA

oi

oi

⋅+⋅−⋅=+⋅

⋅+−=⋅+⋅

Donde:

)()()()()(

1

331111

1

31

2

11

11

1

tHKtQKtQKtHdt

tdH

KDD

KD

DA

oi ⋅+⋅−⋅=+⋅

=

=

=

τ

τ

Al encontrar la transformada de Laplace de la ecuación anterior, se tendrá:

[ ])()()()()(33111

11 tHKtQKtQKLtH

dttdHL oi ⋅+⋅−⋅=⎥⎦

⎤⎢⎣⎡ +⋅τ

[ ] [ ] [ ] [

( ) )()()(1)()()()()()(

)()()()()(

331111

3311111

331111

1

sHKsQKsQKssHsHKsQKsQKsHsHs

tHKLtQKLtQKLtHdt

tdHL

oi

oi

oi

⋅+⋅−⋅=+⋅⋅⋅+⋅−⋅=+⋅⋅

⋅+⋅−⋅=+⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⋅

ττ

τ ]

)(1

)(1

)(1

)( 31

3

1

1

1

11 sH

sKsQ

sKsQ

sKsH oi ⋅

+⋅+⋅

+⋅−⋅

+⋅=

τττ Ecuación 4.14


)()()(1

2

12

2

2

2 tHDDtH

dttdH

DA

⋅=+⋅


Donde:

)()()(122

22

22

1

22

2

tHKtHdt

tdH

KDDDA

⋅=+⋅

=

=

τ

τ

[ ] [

( ) )(1)()()()(

)()()(

1222

12222

1222

2

sHKssHsHKsHsHs

tHKLtHLdt

tdHL

⋅=+⋅⋅⋅=+⋅⋅

⋅=+⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⋅

ττ

τ ]

)(1

)( 12

22 sH

sKsH ⋅+⋅

=τ

Ecuación 4.15


)(1)()(

33

3

3

3 tQD

tHdt

tdHDA

p⋅=+⋅

Donde:

)()()(

1

433

3

43

33

3

tQKtHdt

tdH

KD

DA

p⋅=+⋅

=

=

τ

τ

[ ] [ ]

( ) )(1)(

)()()(

)()()(

433

4333

433

3

sQKssH

sQKsHsHs

tQKLtHLdt

tdHL

p

p

p

⋅=+⋅⋅

⋅=+⋅⋅

⋅=+⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ ⋅

τ

τ

τ

)(1

)(3

43 sQ

sKsH p⋅+

=τ

Ecuación 4.16

Como se puede observar la función de transferencia de la ecuación 4.14, relaciona el

nivel del primer tanque con el flujo de entrada al circuito, el flujo de salida y el nivel del


tercer tanque que realimenta el flujo del agua tratada luego de la perforación. La función de

transferencia de la ecuación 4.15 relaciona el nivel del segundo tanque con respecto del

primero y finalmente la función de transferencia de la ecuación 4.16 relaciona el nivel del

tercer tanque con el flujo de agua que ha salido de la perforación.

Una vez obtenidas las funciones de transferencia se pueden encontrar las ecuaciones

individuales que se representan en función del flujo de entrada qi(t), del flujo de salida del

circuito de agua qo(t) y del flujo de agua que sale de la perforación qp(t).

)(sQi

)(0 sQ

)(sQp

)(1 sH )(2 sH

)(3 sH

11

1

+⋅ sK

τ 12

2

+⋅ sK

τ

13

4

+⋅ sK

τ

+

+

_

)(sQi

)(0 sQ

)(sQp

)(2 sH

)(3 sH

( ) ( )11 21

21

+⋅⋅+⋅⋅

ssKKττ

13

4

+⋅ sK

τ

Figura 4.3. Modelamiento matemático: Diagrama de bloques del circuito de agua de perforación


+

+

_

)(sQi

)(0 sQ

)(sQp

)(2 sH

)(3 sH13

4

+⋅ sK

τ

( ) ( )11 21

21

+⋅⋅+⋅⋅

ssKKττ

( ) ( )11 21

21

+⋅⋅+⋅⋅

ssKKττ

Figura 4.3. Modelamiento matemático: Diagrama de bloques del circuito de agua de perforación

4.2 MÉTODOS PARA EL DISEÑO DE SISTEMAS DE CONTROL

Los sistemas de control pueden ser clasificados basándose en diferentes criterios, así

pues, podemos tener las siguientes clasificaciones.

Según su dimensión:

• Sistemas de parámetros concentrados. Son aquellos que pueden ser descritos por

ecuaciones diferenciales ordinarias. También son conocidos como sistemas de

dimensión finita.

• Sistemas de parámetros distribuidos. Son aquellos que requieren ecuaciones en

diferencia (ecuaciones diferenciales con derivadas parciales). También son

conocidos como sistemas de dimensión infinita.

Según el conocimiento de sus parámetros:

• Sistemas determinísticos. En estos sistemas se conocen exactamente el valor que

corresponde a los parámetros. Por ejemplo un circuito RLC encargado de

suministrar tensión a un equipo.

• Sistemas estocásticos. En este caso, la forma de conocer algunos o todos los

valores de los parámetros, es por medio de métodos probabilísticas. Por ejemplo un


horno o caldero que ha a cumulado sarro y otras impurezas, las cuales no tienen una

función matemática conocida que puedan identificar al proceso.

Según el carácter de transmisión en el tiempo:

• Sistemas continuos. Son aquellos descritos mediante ecuaciones diferenciales,

donde las variables poseen un valor para todo tiempo posible dentro de un intervalo

de tiempo finito. Está referido a las señales analógicas y su comportamiento

matemático es similar a una onda continua. Por ejemplo un proceso de llenado de

balones de gas.

• Sistemas discretos. Son aquellos descritos mediante ecuaciones diferenciales y

poseen valores solo para determinados instantes de tiempo, separados por

intervalos dados por un período constante. Está referido a las señales digitales y su

comportamiento matemático es similar a un tren de pulsos. Por ejemplo el

encendido y apagado de un selector que acciona una alarma.

Según la presencia de linealidad:

• Sistemas lineales. Son aquellos cuyo comportamiento está definido por medio de

ecuaciones diferenciales lineales, es decir, los coeficientes son constantes o

funciones de la variable independiente. Deben cumplir con el principio de

superposición. Por ejemplo un amplificador de señales.

• Sistemas no lineales. En caso de que una o más de las ecuaciones diferenciales no

sean lineales, todo el sistema será no lineal. También se considerará como sistema

no lineal a aquellos para los cuales el principio de superposición no sea válido. Por

ejemplo el calentamiento de un horno.

Según el comportamiento en el tiempo:

• Sistemas invariantes en el tiempo. Ocurre cuando todos sus parámetros son

constantes, por tanto se mantiene en un estado estacionario permanentemente. Se

define por ecuaciones diferenciales cuyos coeficientes son constantes. Por ejemplo

la mezcla de sustancias dentro de un tanque que siempre contiene la misma

cantidad y tipo de elementos.


• Sistemas variantes en el tiempo. Ocurre cuando uno o más de sus parámetros

varían en el tiempo, por lo tanto, no se mantiene en estado estacionario. Se define

por ecuaciones diferenciales cuyos coeficientes son funciones del tiempo. Por

ejemplo para un motor de un vehículo de carrera, la masa del vehículo va a variar

por acción del consumo de combustible.

Según sus aplicaciones:

• Sistemas servomecanismos. Son aquellos en donde la variable controlada es la

posición o el incremento de la posición con respecto al tiempo. Por ejemplo un

mecanismo de control de velocidad o un brazo robótico.

• Sistemas secuenciales. Son aquellos en donde un conjunto de operaciones

preestablecidas es ejecutada en un orden dado. Por ejemplo el arranque y parada de

un motor o la conmutación delta-estrella de un motor.

• Sistemas numéricos. Esta referido a sistemas de control que almacenan

información numérica, la cual incluye algunas variables del proceso codificadas por

medio de instrucciones. Por ejemplo tornos, taladros, esmeriles, los cuales

almacenan información referente a posición, dirección y velocidad.

En base a su principio de funcionamiento, los sistemas de control pueden emplear o

no información acerca de la planta a fin de elaborar estrategias de supervisión y control. Se

cuenta con dos métodos para el control de los sistemas, en lazo abierto y en lazo

cerrado. El diseño de este proyecto se lo realiza con un sistema de control en lazo cerrado,

donde se tiene la información del nivel y flujo del proceso, y mediante estos se toman las

correspondientes acciones de control y monitoreo.

Un sistema de control de lazo abierto es aquel en el cual no existe retroalimentación

del proceso al controlador. Su principal ventaja consiste en su facilidad para implementar,

además son económicos, simples y de fácil mantenimiento. Sus desventajas consisten en

que no son exactos, no corrigen los errores que se presentan y por consiguiente su

desempeño depende de la calibración inicial.


4.2.1 Sistemas de control por retroalimentación

Un sistema de control se dice que funciona en lazo cerrado cuando recibe

información del proceso por medio de las señales de los sensores/transmisores, y en

función del valor de éstas, decide el valor de los actuadores; la utilización de información

del proceso actualizada permite al sistema de control corregir sus acciones para compensar

cualquier suceso imprevisto.

En un sistema de control con retroalimentación negativa, esta señal se resta de la

señal de entrada, generando un error, el cual debe ser corregido por accionamiento del

controlador. Este es el caso común utilizado en el campo del control de procesos

industriales y su configuración se ilustra en la Figura 4.4.

Figura 4.4. Sistema de control en lazo cerrado

El término lazo se refiere al hecho de que una vez introducida una señal de error al

sistema, esta viaja por el lazo hasta que se reestablece el equilibrio. El propósito

fundamental de un proceso de control automático a lazo cerrado es mantener la variable

controlada igual a su valor de referencia. Por supuesto, el sistema de control automático

empieza a trabajar una vez que aparece una señal de error. Esta se puede originar por una

de tres siguientes causas posibles:

1. Cambios en el valor de referencia.

2. Cambios inesperados en el proceso.

3. Cambios en la carga.

Las causas 1 y 3 se refieren a acciones ejecutadas voluntariamente por el operador

del sistema. La causa 2 es el resultado de factores propios del proceso y no necesariamente


causado por los operadores. Como quiera que sea, un buen diseño de un sistema de control

automático debe ser capaz de devolver el estado de equilibrio al proceso que se desea

controlar cada vez que ocurran cambios en él.

Cuando se genera una señal de error en un sistema de control automático, el

controlador empieza a trabajar para restablecer el equilibrio; este llegará a reestablecerse

un tiempo más tarde. Al tiempo de respuesta de un sistema de control automático, o al

tiempo que tarda en reestablecer el equilibrio, se le llama respuesta dinámica. Algunos de

los factores que retardan la respuesta dinámica son los siguientes:

1. El tiempo de respuesta de los instrumentos que constituyen el lazo de control,

conocido comúnmente como time lag.

2. El tiempo que tarda la señal en viajar de un instrumento a otro.

3. La inercia de la variable controlada a cambiar su valor, conocido comúnmente

como pure lag.

4. El tiempo que transcurre desde el momento en que la variable controlada sufre un

cambio hasta que se inicia una acción correctiva, que se le denomina dead time.

4.2.1.1 Control de Encendido/Apagado o Control On/Off

Su funcionamiento se muestra en la Figura 4.5, donde se observa la señal sensada y

la señal del controlador.

Figura 4.5. Funcionamiento del Control On/Off


Este tipo de sistema de control de dos posiciones se maneja con actuadores que

tienen dos posiciones fijas, lo que significa que se controla la conexión y desconexión. Este

tipo de controlador es bastante económico y simple, por esta razón su campo de aplicación

es extenso dentro de los sistemas de control industrial. Si consideramos que u(t) es la señal

de salida del controlador y e(t) la señal de error, en el controlador de encendido/apagado, la

señal u(t) permanece en un valor máximo o mínimo, como se ilustra en la Figura 4.6,

según sea la señal de error positiva o negativa; de manera que:

1)( Utu = Para e(t) > 0

2)( Utu = Para e(t) < 0

Donde U1 y U2 son constantes.

Figura 4.6. Diagrama de bloques del controlador On/Off

Existe una variación de este controlador, en donde la señal de error varía en un rango

determinado antes de que se produzca la conmutación, se lo conoce como control On/Off

con histéresis o de brecha diferencial. Dicha brecha hace que la salida del controlador

mantenga su valor hasta que la señal de error haya rebasado ligeramente el valor de

referencia, como se observa en la Figura 4.7. En algunos casos la brecha diferencial es el

resultado de una fricción no intencional o movimiento perdido; sin embargo, su función es

impedir la frecuente acción del elemento final de control o actuador, causando menos

desgaste en el elemento y alargando su vida útil.

Figura 4.7. Diagrama de bloques del controlador On/Off con histéresis


4.2.1.2 Controlador proporcional (P)

Es un control que se basa en la ganancia aplicada al sistema, se fundamenta en el

principio de que la respuesta del controlador deber ser proporcional a la magnitud del

error. No corrige ni elimina perturbaciones, únicamente atenúa o aumenta la señal de

error, como se observa en la Figura 4.8. Se representa a través del parámetro Kp y define la

fuerza o potencia con que el controlador reacciona frente a un error.

Figura 4.8. Funcionamiento del Control Proporcional

La ecuación que describe su funcionamiento es:

)()( teKmtm c ⋅+= Ecuación 4.17

Donde: m(t) representa la salida del controlador.

m representa el valor de la salida del controlador cuando el error es cero.

Kc representa la ganancia del controlador.

e(t) representa la señal de error y es la diferencia entre el valor de consigna y la

variable que se controla, es decir, )()()( tctrte −= .

La ventaja de este tipo de controlador es que su único parámetro de ajuste es el valor

de Kc, sin embargo, estos operaran con un error en estado estacionario o desviación

causado por el ajuste de este parámetro; mientras mayor es el valor de Kc menor es su

desviación pero a la vez la respuesta del proceso se hace mas oscilatoria e inestable. Su

función de transferencia es la siguiente:

KcsC p =)( Ecuación 4.18


Donde Kc es una ganancia proporcional ajustable. El controlador proporcional puede

controlar cualquier planta estable, pero posee desempeño limitado y error en régimen

permanente (offset).

4.2.1.3 Controlador integral (I)

Es también conocido como reset. Este tipo de controlador anula errores y corrige

perturbaciones, mediante la búsqueda de la señal de referencia, necesita de un tiempo Ti

para localizar dicha señal, como se observa en la Figura 4.9. Se representa mediante el

término Ki que es el coeficiente de acción integral y es igual a 1/Ti

Figura 4.9. Funcionamiento del Integral

La ecuación que representa este controlador es la siguiente:

∫ ⋅⋅=t

dtteKitu0

)()( Ecuación 4.19

La función de transferencia del controlador es:

sKisCi =)( Ecuación 4.20

La señal de control u(t) tiene un valor diferente de cero cuando la señal de error e(t)

es cero; por lo que se concluye, que dada una referencia constante o perturbaciones, el

error en régimen permanente es cero.


4.2.1.4 Controlador derivativo (D)

Conocido también como rate. Este controlador por sí solo no es utilizado, necesita

estar junto al proporcional y al integral. Sirve para darle rapidez o aceleración a la acción

de control. Necesita de una diferencial de tiempo Td para alcanzar la señal de referencia,

como se ilustra en la Figura 4.10. Se representa mediante el término Kd que es el

coeficiente de acción derivativa y es igual a 1/Td.

Figura 4.10. Funcionamiento del Control derivativo

4.2.1.5 Controlador proporcional-integral (PI)

Actúa en forma rápida, tiene una ganancia y corrige el error, no experimenta un

offset en estado estacionario. Cuando los procesos no son controlables con la acción

proporcional, es decir, exigen control en un punto determinado, este tipo de controlador

elimina dicha desviación, agregando inteligencia al controlador proporcional gracias al

reajuste en su función. Su ecuación de modelado esta descrita de la siguiente forma:

∫ ⋅⋅+⋅+= dtteK

teKmtm cc )()()(

1τ Ecuación 4.21

Donde: τ1 representa el tiempo de integración o de reajuste.

Del análisis de la ecuación anterior podemos concluir que τ1 es el tiempo que toma al

controlador repetir la acción proporcional, por tanto, mientras menor es el valor de τ1, la

respuesta del controlador se torna más rápida. La función de transferencia de este

controlador es:


⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅

+⋅=sT

KsCi

pPI11)( Ecuación 4.22

Con un control proporcional, es necesario que exista error para tener una acción de

control distinta de cero; con acción integral, un error pequeño positivo siempre nos dará

una acción de control creciente, y si fuera negativo la señal de control será decreciente.

Este razonamiento nos muestra que el error en régimen permanente será siempre cero; se

puede demostrar que un control PI es adecuado para todos los procesos donde la dinámica

es esencialmente de primer orden, lo que puede ejecutarse mediante un ensayo al escalón.

4.2.1.6 Controlador proporcional-derivativo (PD)

Es estable y reduce los retardos, es decir, su acción es más fulminante. Este tipo de

controladores se utilizan en los procesos que tienen la posibilidad de ser solucionados con

la acción proporcional, pero el parámetro derivativo le agrega cierta cantidad de

anticipación. Se describe mediante la siguiente ecuación:

dttdeKteKmtm Dcc)()()( ⋅⋅+⋅+= τ Ecuación 4.23

Donde: τD representa la constante de tiempo de derivación

La desventaja de este controlador es que opera con una desviación en la variable que

controla. Dicha desviación se puede corregir únicamente con la acción de integración, pero

por otro lado, el controlador PD soporta mayor ganancia, lo que causa menor desviación

comparado con un controlador que solo tiene acción proporcional. La función de

transferencia de este controlador es la siguiente:

dPD TKcsKcsC ⋅⋅+=)( Ecuación 4.24

Cuando una acción de control derivativa se agrega a un controlador proporcional,

permite obtener un controlador de alta sensibilidad, es decir que responde a la velocidad

del cambio del error y produce una corrección significativa antes de que la magnitud del

error se vuelva demasiado grande. Aunque el control derivativo no afecta en forma directa

al error en estado estacionario, añade amortiguamiento al sistema y, por tanto, permite un


valor más grande que la ganancia K, lo cual provoca una mejora en la precisión en estado

estable.

4.2.1.7 Controlador proporcional integral derivativo (PID)

Este controlador es el más completo y complejo, tiene una respuesta más rápida y

estable siempre que este bien sintonizado. Este tipo de controlador tiene por objeto, el

anticipar hacia donde se dirige el proceso, utilizando para ello la observación de la rapidez

para el cambio del error. Su ecuación característica es la siguiente:

dttdeKdtte

KteKmtm Dc

cc

)()()()(1

⋅⋅+⋅⋅+⋅+= ∫ ττ

Ecuación 4.25

La función de transferencia de este controlador es la siguiente:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅+

⋅+⋅= sT

sTiKcsC dPID

11)( Ecuación 4.26

Resumiendo se puede decir que; el control proporcional actúa sobre el tamaño del

error, El control integral rige el tiempo para corregir el error y el control derivativo le

brinda la rapidez a la actuación, volviéndolo anticipativo.

4.3 DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE NIVEL Y FLUJO DEL PROCESO

Un procedimiento básico para el diseño del sistema de control en tiempo real posee

las siguientes etapas:

• Generación de especificaciones

• Diseño arquitectural

• Diseño de componentes

• Síntesis del diseño

• Pruebas


Para el desarrollo del procedimiento de diseño se tuvieron en cuenta varias

consideraciones, las cuales están relacionadas con las plataformas de integración de la

interface y los lenguajes de diseño y especificación. Para el caso del lenguaje de

programación, se implementó el diseño del proyecto, con el uso del paquete TWIDOSoft;

software de desarrollo gráfico para la creación, configuración y administración de

aplicaciones para los controladores. Este sistema de programación esta basado en un

ambiente de desarrollo amigable, brindando ventanas de programación, barras de

herramientas, menús, ayuda de contexto, entre otras funciones que facilitan la

programación según requerimientos.

Además la versatilidad de usar convenientemente programación basada en lógica de

contactos o lista de instrucciones y compatibilidad con distintos protocolos de

comunicación. En lo correspondiente a la plataforma de elaboración del HMI, se desarrolló

el proyecto utilizando el software Intouch de la firma Wonderware. Este programa es

extensible con capacidades gráficas que proveen flexibilidad para el diseño de aplicaciones

con conectividad al más amplio rango de sistemas y dispositivos de automatización de la

industria.

La arquitectura propuesta para el diseño y el desarrollo del HMI comprende tres

niveles, como se muestra en la Figura 4.11:

• Interface de usuario. Las aplicaciones en este nivel se implementan en una

computadora personal, utilizando la plataforma Intouch y sus paquetes de servicios

en el sistema operativo Windows XP Profesional con Service Pack 2.

• Protocolo de comunicaciones. Para interconectar el controlador del sistema con la

interfase HMI se selecciono el protocolo de comunicación MODBUS RTU, con el

cual se logran retardos variables en la transmisión pero acotados y su comunicación

es robusta y confiable.

• Módulos de bajo nivel. En este nivel se realizan las funciones de medición, y

cálculo de acción de control y actuación. Para su implementación se integran el

diseño de hardware-software que corresponde al acondicionamiento de las señales

obtenidas por los sensores y las señales entregadas por el controlador a los

elementos finales de control. La implementación de estas funciones se realiza sobre


el dispositivo lógico programable, de tal forma que garantice su robustez en el

funcionamiento.

Figura 4.11. Arquitectura del sistema de control

4.3.1 Diseño del Sistema de Control de Nivel de Líquido

4.3.1.1 Consideraciones de diseño

El diseño del sistema de control de líquido para el circuito de agua de perforación,

esta comprendido por dos etapas. La primera etapa corresponde al control de nivel en las

tinas de acumulación de líquido para la perforación y la segunda etapa corresponde al

control de nivel en la tina del líquido reciclado, que se ha sido previamente tratado y puede

reutilizarse para el proceso de perforación.


La primera etapa comprende dos tinas de acumulación conectadas en serie, no

interactivas, en donde el líquido proveniente de la vertiente natural es alojado en la primera

tina, cuyo propósito es el de proveer agua constantemente hacia el sistema. Esta tina esta

sensada por interruptores de nivel y la acción de control se la realiza a una bomba en

servicio de descarga, que habilita el desalojo del líquido excedente en dicha tina,

nuevamente hacia la vertiente de agua de donde se toma el líquido para el proceso. El

control se lo realiza sobre esta bomba de desalojo de líquido, y no sobre una válvula que

permita el ingreso del líquido hacia la tina desde la vertiente, debido al requerimiento del

sistema, que utiliza una bomba de accionamiento mecánico mediante un motor de

combustión para transportar el agua desde la vertiente hacia la primera tina de

acumulación, en cuyo caso, al usar una válvula que controle el ingreso del líquido, la

acción de obturación en dicho elemento causará problemas en el funcionamiento de la

bomba que se encuentra permanentemente encendida, ocasionando calentamiento en el

sistema y desgaste en los acoplamientos, lo que significa la reducción de la vida útil de este

elemento. Por otra parte, la conveniencia de usar una bomba que trabaje sobre el excedente

de agua, mejora y facilita el desempeño del circuito al no influir la presión excesiva en el

dimensionamiento de los elementos de control.

La segunda tina de la etapa de acumulación del líquido, corresponde a la de

dosificación de polímeros, fleculantes y materiales para la lubricación y control dentro de

la perforación. Al ser un sistema de tinas en serie no interactivo, el accionamiento de la

bomba que controla el nivel en esta tina, no mezcla el líquido dosificado con el líquido de

la anterior. En esta tina se censa el nivel mediante interruptores y su acción de control es

llevada a cabo por una bomba en servicio de descarga, acoplada en el flujo de líquido que

proviene de la primera tina.

La segunda etapa del circuito comprende el tratamiento de agua que se ha utilizado

para la perforación y esta formado por un conjunto de tinas en serie, que aprovechan la

topografía del terreno para el transporte del líquido de una tina hacia otra. El agua del

proceso llega a una tina final de líquido tratado, el cuál puede ser realimentado hacia la

primera tina para cumplir un nuevo ciclo dentro del proceso. Esta tina, al igual que en los

dos casos anteriores, es sensada mediante interruptores de nivel y la acción de control es


realizada sobre una bomba de accionamiento eléctrico sumergible, en servicio de descarga,

que transporta el líquido desde esta tina de agua tratada hacia la primera tina del circuito de

agua de perforación.

De esta manera, el sistema de control de nivel de líquido esta formado por tres lazos

de control, el primero que controla el nivel de líquido en la primera tina de acumulación y

actúa sobre la bomba de desalojo; el segundo que controla el nivel de líquido en la tina de

dosificación, que pertenece a la etapa de acumulación y actúa sobre la bomba que conecta

al proceso entre estas dos tinas y finalmente, el tercer lazo de control que corresponde a la

tina de agua tratada y actúa sobre la bomba que realimenta al circuito.

La operación del sistema de control de nivel de líquido se la realizará en dos modos,

manual y automática, los cuales operaran sobre cada uno de los lazos de control y sus

respectivos elementos finales antes mencionados. En el primer tanque de acumulación, el

segundo tanque de dosificación y en el tanque del líquido reciclado de perforación se

utilizará dos interruptores de nivel, respectivamente en cada tanque, que indican el nivel de

líquido alto y nivel de líquido bajo.

Para el caso del control de líquido en el primer tanque en la operación manual, se

considera que la bomba de desalojo no se active mientras no exista un nivel determinado

de líquido en el tanque, por tanto, su operación podrá ser agilizada siempre y cuando el

interruptor de nivel bajo en el tanque este activado. La consideración que se toma en

cuenta, para la operación manual del control de líquido en el segundo tanque es que la

bomba que activa el ingreso del líquido hacia este, no se ejecute mientras el interruptor de

nivel bajo del primer tanque no este activado. De esta manera se garantiza que la bomba no

actúe en vano y tenga los requerimientos mínimos necesarios para el funcionamiento en

servicio de descarga.

La consideración que se toma en cuenta, en el caso del control del tanque de líquido

reciclado en operación manual es que la bomba que realimenta al circuito no arranque,

mientras el interruptor de nivel bajo en este tanque no se encuentre activado, de esta forma,


se garantiza el funcionamiento del elemento final de control únicamente cuando exista

líquido en el tanque para la retroalimentación en el sistema.

En la operación automática del sistema de control de líquido, la consideración

principal a tomar en cuenta es la actuación excesiva de los elementos finales de control,

que resultan en el desgaste de su mecanismo y por ende, reducción de la vida útil del

elemento. Por tanto, este diseño reduce dicho desgaste, manteniendo eficazmente el

control en el sistema y reutilizando el líquido del proceso eficientemente. En lo que

comprende al funcionamiento automático, el control del nivel en el primer tanque activa la

bomba de desalojo, una vez que se haya encendido el interruptor de nivel alto y apaga la

bomba de control cuando se desactive el interruptor de nivel bajo. Para el segundo tanque,

la acción de control automático arranca cuando exista líquido en el primer tanque, es decir,

el interruptor de nivel bajo del primer tanque este activado; si el nivel alto en el segundo

tanque es activado, la bomba se apagará automáticamente hasta que el nivel bajo del

segundo tanque sea desactivado. Para el tanque de líquido reciclado, la bomba de

realimentación arranca, una vez que el interruptor de nivel alto de este tanque se active y se

detiene cuando el interruptor de nivel bajo del tanque de líquido reciclado se desactive.

4.3.2 Diseño del Sistema de Control de Flujo de Líquido

4.3.2.1 Consideraciones de diseño

Este sistema de control, garantiza un flujo constante sobre el proceso dentro del

sistema, que permite lubricar la herramienta de perforación, enfriar la corona de la

herramienta y eliminar los detritos que se obtienen en la perforación. El sistema requiere

un control de flujo con una tolerancia de hasta el 1%, caracterizado por los parámetros del

elemento de medición y del elemento final de control. Un sensor de flujo cuya operación

esta basada en la variación de temperatura, esta acoplado a la tubería que alimenta el

sistema de inyección de agua de la maquina de perforación. La señal de control actúa

sobre una bomba sumergible, localizada en el segundo tanque del circuito y su

funcionamiento permite el flujo controlado del líquido hacia el rig de perforación. Con las

condiciones planteadas, el controlador que se utiliza para el diseño es uno de tipo PI, para


lo cuál, se obtuvo el comportamiento del sistema y con estos datos se consiguió la

sintonización del controlador.

El método de ajuste de las ganancias del controlador PI utilizado es el de Ziegler y

Nichols y esta basado en la curva de reacción o método de respuesta al escalón como se

muestra en la Figura 4.12; y se resume en ensayar al sistema un lazo abierto con un escalón

unitario, en donde se calculan los parámetros, como la máxima pendiente de la curva y el

retardo, y con ellos establecemos las ganancias del controlador. Este método es

experimental y se lo obtiene mediante el siguiente procedimiento:

1. Con el sistema en lazo abierto, se lleva a la planta a un punto de operación normal,

es decir que la salida de la planta se estabiliza en y(t) = y0 para una entrada

constante u(t) = u0.

2. En el instante inicial t0, se aplica un cambio en la entrada escalón, desde u0 a u∞, en

un rango de 10 al 20% de rango completo.

3. Se registra la salida hasta que se estabilice en el nuevo punto de operación. Esta

curva se la denomina de reacción del proceso. Se calcula los parámetros del modelo

de la siguiente forma:

Figura 4.12. Parámetros de la respuesta al escalón de una planta


El modelo obtenido puede ser utilizado para varios métodos de ajuste de

controladores PID. El propuesto para el controlador es el de Ziegler - Nichols y el objetivo

del diseño es alcanzar un amortiguamiento tal que exista una relación de 4:1 para el primer

y segundo pico de la respuesta a una referencia escalón.

Para la obtención de los datos con los que se trata el proceso de desarrollo del

controlador, se utiliza las herramientas Historical Trend de Intouch V 9.5, el cual nos

brinda la posibilidad de adquirir los datos mediante la aplicación HistData e importarlos

hacia EXCEL para su tratamiento. El comportamiento de curva basada en este método

experimental de sintonización es el que se indica en la Figura 4.13.

Figura 4.13. Comportamiento de la planta mediante método Ziegler y Nichols

De donde se obtiene los valores que corresponden al retardo y la constante de

tiempo, al trazar una tangente al punto de inflexión de la curva.

L= 0.18 s

T = 2.52 s


Reemplazando estos valores para la obtención de los parámetros de sintonización del

controlador se obtiene:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

LTKp 9.0 Ecuación 4.27

LKi 3.0

= Ecuación 4.28

195.01

67.118.03.0

3.126.118.052.29.0

≈==

==

≈=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

KiTi

Ki

Kp

4.4 DIAGRAMA DE INSTRUMENTACION Y PROCESO

ANEXO 5

CAPITULO 5 EL CONTROLADOR PROGRAMABLE

127

CAPÍTULO 5

EL CONTROLADOR PROGRAMABLE

5.1 SELECCIÓN DEL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE PARA EL

SISTEMA

Las funciones del controlador para las que ha sido diseñado el Sistema de Control de

Nivel y Flujo de líquido, deben cumplir con las siguientes características básicas:

• Detección y lectura de las señales que envían los sensores-transmisores

• Desarrollo del funcionamiento del algoritmo de control y envío de las acciones de

mando y control al sistema, a través de los actuadores y preactuadotes mediante el

acondicionamiento de las distintas señales.

• Conservación de un diálogo con los operarios, informando el estado del proceso y

detectando fallas posibles en el sistema

• Capacidad de ser reprogramado con un nuevo algoritmo de supervisión y control

De igual manera, el conjunto de elementos que conforman el sistema automatizado

deben interactuar y desempeñar funciones de carácter general para todo el sistema, estas

son:

• Establecer comunicaciones entre las diversas partes del sistema, así como la

comunicación con otros sistemas

• Realizar tareas de supervisión y detección de fallas

• Controlar tanto procesos continuos, como procesos discretos

• A través de un bus de campo o interfaz de comunicación, deben recoger la

información de procesos remotos

Con estos criterios de funcionamiento, se encuentra en el mercado una gran gama de

dispositivos que cumplen con las características especificadas. Podemos contar con


128

soluciones basadas en diseños propios con microcontroladores y el acondicionamiento de

sus periféricos, pasando por sistemas basados en Controladores Lógicos Programables

hasta soluciones con Controladores de Automatización Programables (PACs). La

selección del dispositivo se la realiza a través del análisis de los factores de

dimensionamiento requerido para el sistema, las características del proceso en su ambiente

de desarrollo, funciones requeridas para las acciones de control y el presupuesto asignado

para el desarrollo del proyecto.

Partiendo de este análisis, se descarta las soluciones de control basados en diseños

propios con microcontroladores por las siguientes razones:

• Garantizar al Sistema de Control la robustez y confiabilidad para su desempeño en

un ambiente hostil de trabajo, considerando las condiciones ambientales y físicas

del proceso

• El tiempo requerido en probar y acondicionar el diseño para que cumpla todas las

características de funcionamiento

En lo que corresponde a Controladores mas avanzados como los PACs, se descarta

su utilización por las siguientes razones:

• Sus características de funcionamiento son de gama alta, y en general su

funcionalidad esta sobredimensionada para el sistema de control planteado

para el proceso

• El precio de este controlador no justificaría su inversión, frente a otras

tecnologías que resuelven el criterio de control planteado

• El acceso a la adquisición, manejo y mantenimiento de estos dispositivos aún

es limitado en el mercado local

Uno de los autómatas que se adapta a los parámetros planteados para el sistema es un

Controlador Lógico Programable de la familia TELEMECANIQUE, modelo TWIDO, bajo

los siguientes factores.

5.1.1 Factores Cuantitativos. Toma en consideración factores numéricos y de cantidad.


129

• Entradas y Salidas: Se debe determinar la cantidad de señales de entrada y salida

que existan en el sistema y que merezcan conectarse al controlador, luego se debe

determinar si las entradas/salidas son de tipo analógico o de tipo discreto. Conocida

la cantidad, a este total se le debe agregar entre 10 y 20% adicional (reserva para

futuras ampliaciones). Dependiendo de la ubicación de los elementos que van

conectados al controlador, puede darse el caso que se encuentren lejanos por lo que

se presentará problemas de atenuación y ruido en el cableado; frente a esto se puede

optar por el control distribuido, es decir, colocar varios controladores en distintos

puntos de las instalaciones, y cada sistema manejará un determinado número de

entradas/salidas. Para el Sistema de Control y Monitoreo de Nivel y Flujo se utiliza

26 entradas/salidas conformadas de la siguiente manera:

• 14 entradas discretas a 24VDC: 8 para los dispositivos de control del panel en

el proceso y 6 para los interruptores de nivel de los tanques.

• 10 salidas discretas para relay a 2A: 3 para las bombas que realizan el Control

de Nivel del líquido del Sistema y 7 para las luces indicadoras de los controles

y alarmas.

• 1 entrada analógica con señal de transmisión de corriente de 4 a 20mA: que se

transmite desde el sensor de flujo del sistema que toma los datos del líquido

que proviene de la perforación.

• 1 salida analógica de 0 a 10VDC: que se envía al preactuador para el control

de flujo de la bomba que libera el líquido hacia la perforación.

• Memoria: Se debe considerar la memoria del sistema y la memoria lógica. La

cantidad de memoria del sistema esta directamente ligado al número de entradas y

salidas y al tipo de estas, así tenemos que una entrada/salida digital ocupa 1 bit de

información, mientras que una entrada/salida analógica ocupa 16 bits. La memoria

lógica esta referida a la cantidad de información que se debe de almacenar a raíz

del algoritmo de control, cada instrucción va a sumar 1 ó 2 bytes, pero los

comandos de mayor jerarquía (timers, contadores, sumadores, conversores, etc.)

necesitarán más memoria.

• Alimentación: Dependiendo de la cantidad de módulos de entrada/salida que se

tenga que gestionar, el autómata requerirá mayor nivel de amperaje a un voltaje

constante, por cuanto la fuente de alimentación debe estar planificada para soportar

dicho requerimiento de corriente.


130

• Periféricos: Hay que considerar que el autómata puede conectarse a dispositivos

externos, para lo cual debe contar con los puertos necesarios para la conexión. La

flexibilidad de este autómata permite conectar impresoras, monitores, unidades de

memoria, visualizadores, módems, módulos de comunicación e interfaces.

5.1.2 Factores Cualitativos. Toma en consideración factores de cualidad, calidad,

desempeño y modo de trabajo.

• Condiciones físicas y ambientales: El ambiente de trabajo en donde debe operar el

autómata es determinante cuando se debe elegir la confiabilidad y robustez del

equipo, puesto que un componente de mayor calidad es más costoso, la

planificación debe considerar no sobreestimar las condiciones del ambiente (polvo,

humedad, temperatura) y requerir un equipo de mucha mayor robustez al realmente

necesitado. En general los fabricantes realizan una serie de pruebas cuyos

resultados se reflejan en las características técnicas de los equipos como rango de

temperatura de trabajo y almacenaje, vibración soportada, nivel de interferencia,

humedad, tipo de carcasa, entre otros.

• Tipo de control: Determinar el tipo de control a emplear es una función de las

estrategias de control y dependerá de la complejidad del proceso, así como de la

necesidad de contar con backups. El autómata TWIDO cuenta con bloques de

funciones especiales para el control de las variables, tales como contadores rápidos,

funciones PWM, funciones especiales de entradas/salidas, bloques de operación

PID.

• Comunicaciones: Tomando en cuenta la gran gama de dispositivos de hardware,

software y protocolos de transferencia, se busca un entorno orientado al control

supervisado y adquisición de datos, que permita la comunicación entre diferentes

dispositivos pero a la vez que se garantice un diálogo robusto y transparente. Twido

maneja tres distintas comunicaciones: Modbus, ASCII y Remote Link. En las

comunicaciones basadas en Modbus este autómata brinda la posibilidad de manejo

bajo el protocolo serial Modbus RTU o bajo Modbus TCP/IP.

• Servicios adicionales: Esta dado por las ventajas adicionales con las que cuenta un

equipo en relación a otro. Twido cuenta con un software de programación más

amigable, comprensible, con un entorno gráfico y ayudas interactivas; ciertos

equipos pueden dar una mayor garantía, que cubre más situaciones de operación o


131

simplemente cubren por un mayor lapso de tiempo. El trato del suministrador

también es importante a la hora de decidirse por un equipo u otro, además los

proveedores pueden brindar recursos gratuitos de capacitación para el personal a

cargo, asistencia técnica y mantenimiento permanente; disponibilidad en stock

dentro del país en el producto así como de los componentes internos (repuestos, en

caso sea necesario una reparación).

• Compatibilidad: En algunos casos se preferirá equipos de tipo estándar, mientras

que en otros casos será necesario equipos de tipo propietario. La elección del

equipo en cuanto a su compatibilidad estará ligada a los demás equipos

involucrados dentro de la planta.

Los autómatas son unidades de control, conformadas por dispositivos eléctricos y

electrónicos, los cuales cuentan con cableado interno independiente del proceso a controlar

(hardware). Mediante algoritmos y funciones programadas se define la estrategia a seguir

para controlar un proceso (software). Estos equipos son conectados hacia los dispositivos

de medida de las variables que se involucran en el proceso y hacia los dispositivos

encargados de realizar las acciones de control.

Una vez que el autómata esta provisto de un algoritmo en su memoria, y que además

cuenta con las conexiones respectivas hacia los equipos de la planta, se convierte en el

cerebro del sistema, teniendo a su cargo el desempeño y funcionamiento del proceso; los

operarios deberán supervisar que este se comporte tal como se había planificado en el

diseño y conforme a la lógica ideada por el programador.

5.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS Y FUNCIONAMIENTO

5.2.1 Información General. El controlador TWIDO que cumple con los requerimientos

para el proyecto es el modelo compacto TWD LCAA 24DRF de 24 entradas/salidas, que

además puede extenderse con módulos adicionales. Para el caso del diseño, se utilizará un

modulo de entradas/salidas analógicas que se manipula en la entrada del sensor de flujo

que trasmite una señal de 4 a 20 mA o 0 a 10VDC; y para una salida al preactuador de la

bomba que admite una señal de 0 a 10 VDC.


132

Las Bases Compactas son alimentadas a 100/240 VAC y suministran la tensión de 24

VDC necesaria para alimentar las entradas y sensores. En la parte frontal se puede instalar

un visualizador numérico, disponen de un slot para instalar un cartucho de memoria

EEPROM de 32 Kb o un reloj calendario y un slot para añadir un segundo puerto serie RS

232C / RS 485. La Base Compacta de 24 E/S puede ampliarse con módulos de

entradas/salidas discretas y analógicas, con un número máximo de 4 módulos.

Las características técnicas y de funcionamiento del autómata TWIDO se encuentran

en su totalidad especificadas en las hojas técnicas correspondientes a este dispositivo.

5.3 CONFIGURACIÓN DEL CONTROLADOR

La configuración del controlador TWD LCAA 24DRF y del módulo de

entradas/salidas analógicas TWD AMM 6HT se encuentra especificada en las hojas

técnicas del dispositivo en el apartado de configuración del controlador.

5.4 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN TWIDO SUITE

TwidoSuite es un entorno de desarrollo gráfico, con funciones para crear, configurar

y mantener aplicaciones de automatización para los controladores programables Twido de

Telemecanique. TwidoSuite permite crear programas con distintos tipos de lenguaje,

después de transferir la aplicación para que se ejecute en un autómata. TwidoSuite es un

programa basado en Windows de 32 bits para un ordenador personal, que se ejecuta en los

sistemas operativos Microsoft Windows 2000, XP Professional o Vista.

Las principales funciones del software TwidoSuite son:

• Interface de usuario intuitiva y orientada a proyectos

• Diseño de software sin menús. Las tareas y funciones del paso seleccionado de un

proyecto siempre se encuentran visibles

• Soporte de programación y configuración


133

• Comunicación con el autómata

• Ayuda de primera mano acerca del nivel de tareas que ofrece enlaces relevantes a la

ayuda en línea

5.4.1 Configuración mínima

La configuración mínima necesaria para utilizar TwidoSuite es la siguiente:

• Se recomienda un equipo compatible con PC y procesador Pentium a 466 MHz o

superior

• Se recomiendan 128 MB de RAM o más

• 100 MB de espacio libre en el disco duro

• Sistema operativo: Windows 2000, Windows XP o Windows Vista

• Evite el uso de los parches 834707-SP1 (corregido por el parche 890175) y 896358

que producen problemas de visualización en la ayuda en línea

• Se recomienda Service Pack 2 o superior

Un autómata programable lee entradas, escribe salidas y resuelve lógica basada en un

programa de control. La creación de un programa de control para un autómata Twido

consiste en escribir una serie de instrucciones en uno de los lenguajes de programación

Para crear programas de control Twido pueden utilizarse los siguientes lenguajes de

programación:

• Lenguaje Instruction List o Lista de instrucciones: Un programa Lista de

instrucciones o IL se compone de una serie de expresiones lógicas escritas como

una secuencia de instrucciones booleanas.

• Ladder Diagrams o Diagramas de contactos: Un diagrama Ladder es una forma

gráfica de mostrar una expresión lógica, basada en contactos y bobinas.

• Lenguaje Grafcet: El lenguaje Grafcet está compuesto por una sucesión de pasos y

transiciones. Twido admite las instrucciones de lista Grafcet, pero no Grafcet

gráfico.


134

Se puede utilizar un ordenador personal (PC) para crear y editar programas de

control Twido mediante estos lenguajes de programación. La función de reversibilidad de

Lista/Ladder Logic permite pasar un programa de Lista a Ladder y viceversa, según

convenga.

Las descripciones técnicas y de funcionamiento correspondientes a la programación

en el Lenguaje TwidoSuite, se encuentran detalladas en la porción de Especificaciones de

Software en las hojas técnicas del autómata Twido.

5.5 PROGRAMACIÓN BASADA EN LÓGICA DE ESCALERA

Los diagramas Ladder o Escalera son similares a los diagramas lógicos de relee que

representan circuitos de control de relee. Las principales diferencias entre los dos son las

funciones de la programación de la lógica de escalera, en donde, todas las entradas están

representadas por símbolos de contactos, todas las salida están representadas por símbolos

de bobinas y las operaciones numéricas están incluidas en el conjunto de instrucciones de

lógica gráficas.

Un programa en lenguaje de diagrama ladder está formado por "escalones", que

representan el conjunto de instrucciones gráficas y aparecen entre dos barras verticales. El

controlador ejecuta los escalones de forma secuencial y el conjunto de instrucciones

gráficas representa las funciones Entradas/salidas del controlador (botones de comando,

sensores, relees, luces pilotos), funciones del controlador (temporizadores, contadores,

PID), operaciones lógicas y matemáticas (adición, división, AND, XOR), Operadores de

comparación y variables internas del controlador.

5.5.1 Reticulado de programación

Estas instrucciones gráficas se organizan con conexiones horizontales y verticales

que conducen a una o varias salidas o acciones. Los escalones no admiten más de un grupo

de instrucciones vinculadas. Cada escalón de Ladder se compone de un reticulado de siete


135

filas por once columnas organizadas en dos áreas como se muestra en la siguiente

ilustración de la Figura 5.1.

Figura 5.1. Reticulado para la programación Ladder

El reticulado de programación del diagrama Ladder está dividido en dos áreas:

• Área de comprobación: Contiene las condiciones que se prueban para realizar

acciones. Se compone de las columnas de 1 a 10 y contiene contactos, bloques de

función y bloques de comparación.

• Área de acción: Contiene la salida u operación que será realizada según sean los

resultados de las pruebas llevadas a cabo en el área de comprobación. Se compone

de las columnas de 8 a 11 y contiene bobinas y bloques de operación.

La programación consiste en introducir instrucciones en las celdas del reticulado. Las

funciones, comparaciones e instrucciones de prueba se introducen en celdas en el área de

comprobación y se alinean a la izquierda. La lógica de prueba proporciona continuidad al

área de actividad donde se introducen bobinas, operaciones numéricas e instrucciones de

flujo del programa y se justifican a la derecha. El escalón se soluciona o ejecuta (pruebas

realizadas y salidas asignadas) dentro del reticulado de arriba a abajo y de izquierda a

derecha.


136

5.5.1.1 Secciones y subrutinas. Cada sección/subrutina se compone de un encabezado de

sección con un número de sección (que el programa asigna automáticamente), etiqueta de

sección/subrutina, un título de sección/subrutina definido por el usuario y cuatro líneas de

comentarios del usuario. Además de una secuencia de escalones debajo del encabezado de

sección/subrutina.

5.5.1.2 Cabeceras de escalón. Además del escalón, una cabecera de escalón aparece

directamente por encima del escalón. La cabecera de escalón se utiliza para documentar el

propósito lógico del escalón y contiene la siguiente información:

• Número de escalón

• Etiquetas (%Li)

• Título de escalón

• Comentarios de escalón

5.5.1.3 Bloques de diagramas Ladder. Los diagramas Ladder están compuestos por

bloques que representan el flujo de programas y las funciones, conteniendo los siguientes

elementos:

• Contactos

• Bobinas

• Instrucciones de flujo de programas

• Bloques de función

• Bloques de comparación

• Bloques de operación

5.5.1.4 Contactos, bobinas y flujo de programas. Las instrucciones contactos, bobinas y

flujo de programas (saltar y llamadas) ocupan una única celda en el reticulado de

programación de Ladder. Los bloques de función, comparación y operación ocupan varias.

5.5.1.5 Bloques de función. Los bloques de función están ubicados en el área de

comprobación del reticulado de programación. El bloque debe aparecer en la primera fila;

no deberían aparecer instrucciones Ladder ni líneas de continuidad por encima ni por

debajo del bloque de función. Las instrucciones de prueba Ladder llevan al lateral de


137

entrada del bloque y las instrucciones de prueba o acción llevan al lateral de salida del

bloque. Los bloques de función están colocados en vertical y ocupan dos columnas en

cuatro filas del reticulado de programación.

5.5.1.6 Bloques de comparación. Los bloques de comparación están ubicados en el área

de comprobación del reticulado de programación. El bloque puede aparecer en cualquier

fila o columna del área de comprobación siempre que la longitud completa de la

instrucción esté en esta área. Los bloques de comparación están colocados en horizontal y

ocupan dos columnas en una fila del reticulado de programación.

5.5.1.7 Bloques de operación. Los bloques de operación están ubicados en el área de

acción del reticulado de programación. El bloque puede aparecer en cualquier fila del área

de acción. La instrucción está justificada a la derecha; aparece en la derecha y termina en

la última columna. Los bloques de operación están colocados en horizontal y ocupan

cuatro columnas en una fila del reticulado de programación.

5.6 PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN MODBUS MASTER/SLAVE RTU/ASCII

Twido ofrece un puerto serie para las comunicaciones con autómatas de E/S remotas,

autómatas Peer o dispositivos generales. Cualquier puerto, si hay más de uno, puede

utilizarse para cualquier servicio, excepto la comunicación con TwidoSuite, que sólo puede

realizarse mediante el primer puerto. Cada autómata Twido admite tres protocolos base

distintos: conexión remota, ASCII o Modbus (master de Modbus o slave de Modbus).

Asimismo, los autómatas tienen la opción de usar el módulo de comunicación Ethernet

RJ45; este admite el protocolo cliente/servidor TCP/IP de Modbus para comunicaciones

peer-to-peer entre autómatas de la red Ethernet.

Modbus es un protocolo en configuraciones master/slave, que permite a un master, y

sólo a uno, solicitar respuestas de los slaves o actuar dependiendo de la solicitud. El master

puede dirigirse a los slaves individuales o iniciar un mensaje de difusión para todos los

slaves. Los slaves devuelven un mensaje (respuesta) a las solicitudes que se les envían

individualmente. No se devuelven respuestas a las solicitudes de difusión del master. En


138

una red RS485 puede haber un máximo de 32 equipos sin repetidores (1 master y hasta 31

slaves) y sus direcciones pueden estar comprendidas entre 1 y 247.

Master de Modbus. El modo master de Modbus permite al autómata Twido enviar una

solicitud Modbus a un slave y esperar su respuesta. El modo master de Modbus sólo se

admite a través de la instrucción "EXCH". El modo master de Modbus admite ASCII

Modbus y RTU Modbus.

Slave de Modbus. El modo slave de Modbus permite al autómata Twido responder a

solicitudes Modbus realizadas desde un master de Modbus y es, además, el modo de

comunicaciones predeterminado si no se ha configurado otro tipo de comunicación. El

autómata Twido admite los datos Modbus y las funciones de control estándar y las

ampliaciones de servicio para el acceso a objetos. El modo slave de Modbus admite ASCII

Modbus y RTU Modbus.

Cada autómata Twido tiene un puerto terminal EIA RS485 integrado, con su propia

fuente de alimentación interna, en el puerto 1. El puerto EIA RS232C del PC se puede

conectar al puerto 1 del autómata con el cable TSX PCX1031. Este cable convierte las

señales comprendidas entre EIA RS232 y EIA RS485. El cable TSX PCX1031 incorpora

un conmutador rotativo de cuatro posiciones para seleccionar distintos modos de

funcionamiento. El conmutador designa las cuatro posiciones como "0-3" y el ajuste

apropiado de TwidoSuite para el autómata Twido es la posición 2. La configuración del

protocolo de comunicación se ilustra en la Figura 5.2.

Figura 5.2. Comunicación autómata/PC mediante cable de transmisión serial


139

5.6.1 Comunicaciones ASCII

El protocolo ASCII proporciona a los autómatas Twido un protocolo de modo de

caracteres semidúplex simple que permite transferir o recibir datos mediante un simple

dispositivo. Este protocolo se admite mediante la instrucción EXCHx y se controla

mediante el bloque de función %MSGx. Pueden utilizarse los tres tipos de comunicaciones

siguientes con el protocolo ASCII:

• Sólo transmisión

• Transmisión/recepción

• Sólo recepción

El tamaño máximo de las tramas transmitidas o recibidas por medio de la instrucción

EXCHx es de 256 bytes. Puede establecerse una conexión ASCII en el puerto EIA RS232

o EIA RS485 y puede ejecutarse en un máximo de dos puertos de comunicación al mismo

tiempo. La tabla de palabras asociada a la instrucción EXCHx está formada por tablas de

control, de envío y de recepción.

Tabla 5.1. Control, envío y recepción para comunicaciones ASCII

Byte más significativo Byte menos significativo

Comando Longitud (envío/recepción) Tabla de control

Reservado (0) Reservado (0)

Byte 1 enviado Byte 2 enviado

….. Byte n enviado

Tabla de envío

Byte n+1 enviado

Byte 1 recibido Byte 2 recibido

….. Byte p recibido

Tabla de recepción

Byte p+1 recibido

Tabla de control. El byte de longitud contiene la longitud de la tabla de envío en bytes

(250 máx.), sobrescrita por el número de caracteres recibidos al final de la recepción, en


140

caso de que ésta se solicite. El byte de comando debe contener uno de los siguientes

elementos:

• 0: Sólo transmisión

• 1: Envío/recepción

• 2: Sólo recepción

Tablas de envío / recepción. En el modo de sólo envío, las tablas de control y de envío se

completarán antes de la ejecución de la instrucción EXCHx y pueden ser de tipo %KW o

%MW. No se necesita ningún espacio para recibir los caracteres en el modo de sólo envío.

Una vez que se han enviado todos los bytes, %MSGx.D se establece en 1 y se puede

ejecutar una nueva instrucción EXCHx.

En el modo de envío o recepción, las tablas de control y de envío se completarán

antes de la ejecución de la instrucción EXCHx y deben ser de tipo %MW. Se necesita

espacio para un máximo de 256 bytes de recepción al final de la tabla de envío. Una vez

que se han enviado todo los bytes, el autómata Twido cambia al modo de recepción y está

preparado para recibir bytes.

En el modo de sólo recepción, la tabla de control se completará antes de la ejecución

de la instrucción EXCHx y debe ser de tipo %MW. Se necesita espacio para un máximo de

256 bytes de recepción al final de la tabla de control. El autómata Twido pasa

inmediatamente al modo de recepción y está preparado para recibir bytes.

La recepción finaliza una vez que se recibe el último byte utilizado para la trama o se

llena la tabla de recepción. En este caso, aparece un error de desbordamiento en la tabla de

recepción en la palabra %SW63 y %SW64. Si se configura un timeout diferente a cero, la

recepción finaliza cuando termina el timeout. Si selecciona un timeout de valor cero, no

habrá ningún timeout de recepción. Por lo tanto, para detener la recepción, deberá activar

la entrada %MSGx.R.


141

5.6.2 Comunicaciones Modbus

Modbus es un protocolo master/slave que permite a un único master solicitar

respuestas de los slaves o realizar acciones dependiendo de las solicitudes. El master puede

dirigirse a los slaves individuales o iniciar un mensaje de difusión para todos los slaves.

Los slaves devuelven una respuesta a las solicitudes que se les envían individualmente. No

se devuelven respuestas a las solicitudes de difusión desde el master.

Configuración de Hardware. Puede establecerse una conexión Modbus en el puerto EIA

RS232 o EIA RS485 y puede ejecutarse, como máximo, en dos puertos de comunicación al

mismo tiempo. A cada uno de estos puertos se le puede asignar su propia dirección

Modbus, mediante el bit de sistema %S101 y las palabras de sistema %SW101 y %SW102.

Cableado nominal. A continuación se ilustran en la Figura 5.3, las conexiones de un cable

nominal para los tipos EIA RS232 y EIA RS485.

Figura 5.3. Conexiones de cable nominal para EIA RS232 y EIA RS485

Configuración del Puerto. Un autómata Twido puede utilizar su puerto 1 primario o un

puerto 2 configurado de forma opcional para utilizar el protocolo Modbus, como se indica

en la Tabla 5.2.


142

Tabla 5.2. Configuración del puerto de Twido para comunicación Modbus

Paso Acción

1 Definir todos los módulos o adaptadores de comunicación adicionales

configurados en la base

2 Declarar la red Modbus en el paso Describir de TwidoSuite

3 Seleccionar Puerto 1 (o Puerto 2, si está instalado) para configurar la

ventana Describir

4 Para configurar el elemento Modbus, utilizar uno de estos dos métodos:

• Hacer clic en el icono Configurar de la barra de herramientas y elegir el

elemento Modbus en el gráfico de descripción.

• Hacer doble clic en el elemento Modbus en el gráfico de descripción.

5 Para acceder al cuadro de diálogo Función (Configuración de un objeto,

Twido, Software de programación TwidoSuite,

Ayuda online) asociado a los parámetros de hardware de conexión Modbus,

seguir uno de estos dos métodos:

• Hacer clic en el icono Configurar de la barra de herramientas y elegir la

conexión Modbus en el gráfico de descripción.

• Hacer doble clic en la conexión Modbus en el gráfico de descripción.

Paso Acción

6 Configurar el cuadro de diálogo Función


143

5.6.2.1 Modbus Master

El modo master de Modbus permite al autómata enviar una solicitud Modbus a un

slave y esperar una respuesta. El modo master de Modbus sólo se admite a través de la

instrucción EXCHx. El modo master de Modbus admite Modbus ASCII y Modbus RTU.

El tamaño máximo de las tramas enviadas o recibidas es de 250 bytes. La tabla de palabras

asociada a la instrucción EXCHx está formada por tablas de control, de envío y de

recepción, como se incida en la Tabla 5.3

Tabla 5.3. Control, envío y recepción para comunicaciones MODBUS

Byte más significativo Byte menos significativo

Comando Longitud (envío/recepción) Tabla de control

Offset de recepción Offset de envío

Byte 1 enviado Byte 2 enviado

….. Byte n enviado

Tabla de envío

Byte n+1 enviado

Byte 1 recibido Byte 2 recibido

….. Byte p recibido

Tabla de recepción

Byte p+1 recibido

Tabla de control. El byte de longitud contiene la longitud de la tabla de envío, 250 bytes

máximo, que se sobrescribe con el número de caracteres recibidos al final de la recepción,

en caso de que ésta se solicite. Este parámetro es la longitud en bytes de la tabla de envío.

Si el parámetro de offset del envío es igual a 0, será igual a la longitud de la trama de

envío. Si el parámetro de offset del envío no es igual a 0, no se enviará un byte de la tabla

de envío y este parámetro será igual a la longitud de la propia trama más 1.

El byte de comando, en caso de que se produzca una solicitud RTU Modbus, excepto

para una difusión, debe ser siempre igual a 1, tanto en el envío y la recepción. El byte de

offset de envío contiene el rango, 1 para el primer byte, 2 para el segundo byte, etc., dentro

de la tabla de envío del byte que se ignorará cuando se envíen los bytes. Se utiliza para

gestionar los envíos asociados a los valores de byte/palabra del protocolo Modbus. Por


144

ejemplo, si este byte es igual a 3, el tercer byte se ignorará, haciendo que el cuarto byte de

la tabla sea el tercero en enviarse.

El byte de offset de recepción contiene el rango dentro de la tabla de recepción que

se agregará cuando se envíe el paquete. Se utiliza para gestionar los envíos asociados a los

valores de byte/palabra del protocolo Modbus. Por ejemplo, si este byte es igual a 3, el

tercer byte de la tabla se representará con un cero y el tercer byte recibido se introducirá en

la cuarta ubicación de la tabla.

Tablas de emisión/recepción. En uno de los dos modos, Modbus ASCII o Modbus RTU,

la tabla de envío se complementa con la solicitud antes de ejecutar la instrucción EXCHx.

En el momento de la ejecución, el autómata determina cuál es la capa de enlace de datos y

realiza todas las conversiones necesarias para procesar el envío y la respuesta. Los

caracteres de inicio, fin y comprobación no se almacenan en las tablas de

emisión/recepción.

Una vez enviados todos los bytes, el autómata cambia a modo de recepción y espera

a recibir los bytes. La recepción finaliza de una de las formas siguientes:

• Se detecta un timeout en un carácter o en una trama.

• Los caracteres de fin de trama se recibe en modo ASCII.

• La tabla de recepción está llena.

Las entradas de byte X enviado contienen los datos del protocolo Modbus

(codificación RTU) que se va a emitir. Si el puerto de comunicación está configurado para

Modbus ASCII, los caracteres de trama correctos se agregan al envío. El primer byte

contiene la dirección del dispositivo en forma específica o general, el segundo byte

contiene el código de función y el resto contiene información asociada al código de

función.

Los bytes X recibidos contienen los datos del protocolo Modbus (codificación RTU)

que se van a recibir. Si el puerto de comunicación está configurado para Modbus ASCII,

los caracteres de trama correctos se eliminan de la respuesta. El primer byte contiene la


145

dirección del dispositivo, el segundo byte contiene el código de función, o código de

respuesta y el resto contiene información asociada al código de función.

5.6.2.2 Modbus Slave

El modo slave Modbus permite al autómata responder a las solicitudes Modbus

estándar procedentes de un master de Modbus. Cuando el cable TSX PCX1031 se conecta

al autómata, las comunicaciones de TwidoSuite se inician en el puerto, inhabilitando

temporalmente el modo de comunicación que estaba en ejecución antes de que se

conectara el cable.

El protocolo Modbus admite dos formatos de capa de enlace de datos: ASCII y RTU.

Cada uno está definido por la implementación de la capa física: ASCII utiliza 7 bits de

datos y RTU utiliza 8 bits de datos. Cuando se utiliza el modo Modbus ASCII, cada byte

del mensaje se envía como dos caracteres ASCII. La trama Modbus ASCII comienza con

un carácter inicial (':') y puede finalizar con dos caracteres finales (CR y LF). El carácter de

final de trama es, de forma predeterminada, 0x0A (avance de línea) y el usuario puede

modificar el valor de este byte durante la configuración. El valor de comprobación para la

trama Modbus ASCII es un complemento de dos de la trama, excluyendo los caracteres

inicial y final.

El modo Modbus RTU no vuelve a formatear el mensaje antes de transmitirlo; sin

embargo, utiliza un modo de cálculo de suma de control diferente, especificado como

CRC.

La capa de enlace de datos de Modbus tiene las limitaciones siguientes:

• Dirección 1-247

• Bits: 128 bits previa solicitud

• Palabras: 125 palabras de 16 bits previa solicitud


146

5.6.2.3 Características de Transmisión

• Comunicación serial, tasa de transmisión recomendada 9600 bps o 19200bps

• Bits de parada: 1 o 2 bits

• Modo de transmisión para bits de datos:

• 8 bits para RTU

• 7 bits para ASCII

• Paridad: Ninguna, par o impar. Ninguna paridad recomendado para Modbus RTU e

integración con I/O Server Modbu de HMI

• Tiempo de desconexión variable. Por defecto 5000ms

5.7 DESARROLLO DEL PROGRAMA

La programación de la lógica de control del sistema, se la desarrolla en el software

de entorno gráfico para la programación del controlador TWIDO de TELEMECANIQUE

TwidoSuite 2.01.6. Al iniciar un proyecto nuevo, se crean en primer lugar, la información

del archivo y la información del proyecto, como se indica en la Figura 5.4.

Figura 5.4. Software TwidoSuite para la programación del Controlador Twido


147

A continuación como se observa en la Figura 5.5, describimos la base con la que

vamos a trabajar y con sus módulos, en el caso de utilizar estos. Esta ventana nos brinda un

catálogo con los diferentes dispositivos de la gama de TWIDO y una tabla de referencia de

los dispositivos utilizados.

Figura 5.5. Configuración de los dispositivos mediante TwidoSuite

Posteriormente se configura el equipo utilizando direcciones, símbolos, filtrado,

eventos, prioridades, funciones especiales, como se muestra en la Figura 5.6. En esta

ventana también está disponible la configuración de los datos para la lógica de

programación como la definición de objetos simples, bloques funcionales, bloques de

entradas/salidas y objetos avanzados como el controlador PID.

Esta ventana contiene la configuración del comportamiento del autómata, como sus

niveles funcionales, modo de exploración, modo de arranque, almacenamiento automático

y además la definición de protecciones con contraseña y de aplicación. A continuación se

muestra la ventana de configuración.


148

Figura 5.6. Configuración de las E/S, direcciones, datos, operaciones y comportamiento del Twido

En la ventana de programación que se muestra en la Figura 5.7, se desarrolla la

aplicación para el Sistema de Control y Monitoreo, utilizando las distintas herramientas

que nos brinda TwidoSuite para la programación basada en lógica de escalera.

En la parte izquierda de esta ventana, se pueden acceder a las redes y secciones

utilizadas para el tratamiento del programa; y en la parte inferior de la ventana se acceden a

las direcciones utilizadas en la aplicación, con la posibilidad de agregar símbolos y

comentarios para su identificación.

Utilizando el botón preferencias, editamos los parámetros con los que desarrollamos

nuestra aplicación, como el directorio del archivo, almacenamiento automático, niveles

funcionales de la aplicación y la gestión de las conexiones del autómata.


149

Figura 5.7. Ventana de programación y edición de parámetros de la aplicación

La ventana de depuración nos da la posibilidad de conectar al autómata con la

aplicación desarrollada, utilizando la conexión previamente ajustada, como se observa en

la Figura 5.8.

En el caso de nuestra aplicación utilizamos la comunicación serie RS-232, protocolo

MODBUS RTU mediante el driver de Schneider Electric para conectar al Twido con la

PC; configuración que se ilustra en la Figura 5.9.

Esta ventana permite conectarse directamente al PLC, transferir una aplicación entre

PC y PLC o subir una aplicación desde el PLC al PC, pero a demás en modo de vigilancia

permite supervisar en modo transparente el funcionamiento del programa.


150

Figura 5.8. Ventana para establecer la conexión con el autómata Twido

Figura 5.9. Driver de Schneider para comunicación MODBUS


151

5.7.1 Lógica de Control

En lo correspondiente a la lógica de control del Sistema, basada en programación de

escalera o Ladder, se ha utilizado 6 secciones ordenadas de la siguiente forma:

1. Sección 1. Control de Nivel: Modo Manual

2. Sección 2. Control de Nivel: Modo Automático

3. Sección 3. Control de Flujo: Controlador tipo PI

4. Sección 4. Salidas del Controlador

5. Sección 5. Conexiones con Intouch: Entradas

6. Sección 6. Conexiones con Intouch: Salidas

5.7.1.1 Sección 1. Realiza la operación manual del Control de Nivel del Sistema,

considerando los parámetros y estrategias desarrollados en el diseño del sistema de

control. Cuenta con 4 redes (Rung #) y utiliza 15 contactos y 5 bobinas distribuidos

de la siguiente forma:

Contactos:

%M0: Contacto auxiliar bobina M0





%M28: Contacto auxiliar para switch Manual/Automático

%M29: Contacto auxiliar para switch bomba 1



%M35: Contacto auxiliar parada de emergencia

%I0.8: Contacto nivel alto T1

%I0.9: Contacto nivel bajo T1





152

Bobinas:

%M0: Bobina auxiliar para encender bomba 1








Figura 5.10. Sección 1. Control de Nivel: Modo Manual


153

5.7.1.2 Sección 2. Realiza la operación de control automático para el nivel de líquido del

sistema. Cuenta con 4 redes y utiliza 14 contactos y 4 bobinas distribuidas de la

siguiente forma:

Contactos:





%M28: Contacto auxiliar para switch Manual/Automático

%M32: Contacto auxiliar para encender automático del control de nivel

%M33: Contacto auxiliar para detener automático del control de nivel

%M35: Contacto auxiliar parada de emergencia







Bobinas:

%M8: Bobina auxiliar para enclavar automático





154

Figura 5.11. Sección 2. Control de Nivel: Modo Automático

5.7.1.3 Sección 3. Realiza la operación de control de flujo del sistema para el proceso de

perforación, mediante la utilización de un controlador tipo PI. Cuenta con 3 redes y

utiliza 5 contactos, 1 bobina, 8 bloques de operación y un bloque de operación para

objetos avanzados que corresponde al controlador PI.

Contactos:

%M12: Contacto auxiliar para bobina M12

%M34: Contacto auxiliar para switch de control de flujo

%M35: Contacto auxiliar para parada de emergencia



Bobina:

%M12: Bobina auxiliar para control del bloque de operación PI


155

Bloques de operación:

%MW0: Palabra asociada para control PID: 1 Simple , 2 AT+PID , 3 AT

%MW1: Palabra para consigna (0 - 10000)

%MW2: Parámetro de sintonización. Constante proporcional. Kp(x 0.01)

%MW3: Parámetro de sintonización. Constante Ti. Ti(x 0.1)

%MW4: Parámetro de sintonización. Constante Td. Td(x 0.1)

%MW5: Límite de la medida (0 - 10000)

%MW6: Consigna de salida (0 - 10000). Para uso único con AT y AT + PID

SHORT: Bloque de operación especial para conexión directa con alimentación

Bloque de operación para objeto avanzado PI

PID0: Permite el control de flujo hacia el sistema de perforación, mediante la

sintonización de sus parámetros. Requiere de la definición de sus objetos, como su

direccionamiento para entradas y salidas, tiempo de muestreo, tipo de acción y

modo de funcionamiento.

Figura 5.12. Configuración del bloque de operación avanzado PID


156

Figura 5.13. Sección 3. Control de Flujo: Controlador tipo PI

5.7.1.4 Sección 4. Pertenece a las salidas del autómata para el panel de control del Sistema

instalado en el proceso. Cuenta con 5 redes y utiliza 14 contactos y 10 bobinas que

corresponden a las salidas del TWIDO para las distintas acciones de control y

monitoreo.

Contactos:

%M5: Contacto auxiliar para encender bomba 1 (Operación manual)



%M9: Contacto auxiliar para encender bomba 1 (Operación automática)


157



%M34: Contacto auxiliar para switch de control de flujo








Bobinas:

%Q0.0: Enciende bomba 1, luz piloto bomba 1



%Q0.3: Luz piloto de control de Flujo

%Q0.4: Luz piloto nivel alto de T1

%Q0.5: Luz piloto nivel bajo de T1






158

Figura 5.14. Sección 4. Salidas del Controlador


159

5.7.1.5 Sección 5. Esta sección corresponde a las entradas que se integran para el control

del sistema mediante el HMI desarrollado en el software Intouch. Contiene 9 redes

y utiliza 17 contactos, 8 bobinas y un bloque de operación.

Contactos:

%M14: Contacto para seleccionar Manual/Auto (Conexión desde Intouch)

%M15: Contacto para encender bomba 1 (Conexión desde Intouch)



%M18: Contacto para iniciar Operación Automática de Control Nivel

(Conexión desde Intouch)

%M19: Contacto para detener Operación Automática de Control Nivel


%M20: Contacto para encender el Control de Flujo (Conexión desde Intouch)

%M21: Contacto para parada de emergencia (Conexión desde Intouch)


%I0.0: Contacto para seleccionar Manual/Auto (Desde panel de control)

%I0.1: Contacto para encender bomba 1 (Desde panel de control)



%I0.4: Contacto para iniciar Operación Automática de Control Nivel (Desde panel

de control)

%I0.5: Contacto para detener Operación Automática de Control Nivel (Desde panel

de control)

%I0.6: Contacto para encender el Control de Flujo (Desde panel de control)

%I0.7: Contacto para parada de emergencia (Desde panel de control)

Bobinas:

%M28: Bobina auxiliar para selección de operación Manual/Auto de Control de

Nivel

%M29: Bobina auxiliar para operación bomba 1



160


%M32: Bobina auxiliar para operación Automática en Control de Nivel

%M33: Bobina auxiliar para operación Automática en Control de Nivel

%M34: Bobina auxiliar para operación del Control de Flujo

%M35: Bobina auxiliar para parada de emergencia

Bloque de operación:

%MW7:= %IW0.1.0: Toma el valor de la variable medida y la pasa a un objeto de

palabra para su conexión con el desarrollo de la HMI.

Figura 5.15. Sección 5. Conexiones con Intouch: Entradas


161

Figura 5.15. Sección 5. Conexiones con Intouch: Entradas

5.7.1.6 Sección 6. Esta sección corresponde a las salidas que se integran para el monitoreo

del sistema mediante el HMI desarrollado en el software Intouch. Contiene 4 redes

y utiliza 10 contactos, 9 bobinas y un bloque de operación.

Contactos:

%Q0.0: Contacto auxiliar. Enciende bomba 1, luz piloto bomba 1



%Q0.4: Contacto auxiliar. Luz piloto nivel alto de T1

%Q0.5: Contacto auxiliar. Luz piloto nivel bajo de T1




162




Bobinas:

%M22: Bobina para nivel alto de T1 (Conexión hacia Intouch)

%M23: Bobina para nivel bajo de T1 (Conexión hacia Intouch)





%M36: Bobina para operación de bomba 1 (Conexión hacia Intouch)



Bloque de operación:

%MW8:= %QW0.1.0: Toma el valor de la variable manipulada y la pasa a un objeto

de palabra para su conexión con el desarrollo de la HMI.


163

Figura 5.16. Sección 6. Conexiones con Intouch: Salidas


164

5.8 ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES

Dentro del proceso de instrumentación para el Sistema de Control y Monitoreo del

Circuito de Reciclaje de Agua, el acondicionamiento de las señales proporciona al sistema

la confiabilidad de que las entradas/salidas, analógicas o discretas funcionen

eficientemente en el proceso de control.

Las consideraciones a tomar en cuenta para el acondicionamiento son todos los

parámetros técnicos dados por el fabricante en cada dispositivo de medición, de control y

elementos finales o actuadotes. Este procedimiento, conocido como acondicionamiento,

incluye funciones como amplificación, filtrado, aislamiento eléctrico y multiplexación de

la señal. La gran variedad de productos en el mercado oferta flexibilidad para la

adquisición de los dispositivos, y basados en este criterio, examinaremos los que más se

acomoden en la planta y a la vez requieran de mínimo o ningún acondicionamiento; esto

con el objeto de evitar circuitos extra de acondicionamiento que puedan causar fallos en el

proceso debido a factores de humedad, temperatura, ambientes de trabajo critico, ruido,

entre otros; y en caso necesario de acondicionamiento utilizar dispositivos que garanticen

el funcionamiento en ambientes industriales.

Las entradas discretas que admite el PLC son de voltaje nominal 24VDC hasta un

voltaje máximo de 28.8VDC, con impedancias de entrada de 2.1 KΩ y 3.4 KΩ para

corrientes de 11mA y 7mA dependiendo del canal de entrada. Los sensores que se utilicen

para el control de nivel, deben cumplir las características para ser conectadas directamente

en los canales de entrada discretos del PLC TWIDO. Las salidas discretas de carga en el

relay admiten voltajes de hasta 240VAC a 2 A y 30VDC a 2A, en cuyo caso el

acondicionamiento de estas señales deberá realizarse con las respectivas protecciones de

sobrecorriente y sobrevoltaje.

En el caso de las salidas analógicas, se debe considerar que su señal necesita

acondicionamiento, debido a que esta es siempre enviada a un preactuador para el manejo

del elemento final de control.


165

Basados en estas consideraciones, los interruptores de nivel utilizados para el diseño

y simulación del sistema de control, se conectan directamente a los canales de entrada del

PLC. Estos interruptores de la marca AW Anderson serie F7-BT, se alimentan con 24VDC

y entregan una corriente máxima de 0.28A. Las salidas discretas del controlador para las

bombas 1, 2, 3 y las luces piloto del sistema de simulación son alimentadas con 110VAC,

por esta razón, tanto los canales comunes, como los canales de conmutación de los relays

están protegidos con fusibles 10x38 mm para corrientes de 2 amperios.

La entrada analógica del sensor de flujo RECHNER, esta programada para entregar

una señal de 4 a 20 mA que admite el módulo de E/S analógicas TWDAMM6HT del PLC

TWIDO, para una impedancia de 250 KΩ, entrada diferencial y con una resolución de 12

bits.

La salida analógica del controlador es una señal de voltaje (0 – 10 VDC), enviada

hacia un preactuador de la marca ASCO serie 8909. El preactuador es alimentado con 12

VDC y la señal de control utilizada es de 0 a 10 VDC; este dispositivo permite la

manipulación de la bomba, que simula el sistema de control de flujo hacia la perforación.

La unidad de control electrónica proporcional convierte señales de entrada analógica a

señales de control para el actuador mediante modulación por ancho de pulso. La

documentación correspondiente a los datos técnicos de los dispositivos contiene los

parámetros de funcionamiento de esta unidad de control.

CAPTULO 6 DESARROLLO DE LA INTERFACE HMI 166

CAPÍTULO 6

DESARROLLO DE LA INTERFACE HMI

La Interface Hombre-Máquina es un conjunto de pantallas que muestran una

representación de la planta o del equipamiento en forma gráfica. Los datos de los

dispositivos, se muestran como dibujos o esquemas en primer plano (foreground) sobre un

fondo estático (background). Mientras los datos cambian en campo, el foreground es

actualizado. Los datos analógicos se pueden mostrar como números, o gráficamente

mediante el uso de herramientas específicas. Además de la adquisición de datos, el

desarrollo de la aplicación puede integrar herramientas para acciones de control hacia el

proceso. El sistema puede tener varias pantallas, dependiendo de los requerimientos para el

control y monitoreo del proceso, y el operador puede seleccionar las más relevantes en

cualquier momento.

Para el desarrollo de la interface del sistema de Control y Monitoreo del Circuito de

Reciclaje de Agua, se ha utilizado bajo una licencia estudiantil, el software Intouch

Versión 9.5 de la firma Wonderware. Este es un paquete de software utilizado para crear

aplicaciones de interface hombre-máquina bajo entorno PC. InTouch utiliza como sistema

operativo el entorno WINDOWS 2000/2003/XP. El paquete consta básicamente de dos

elementos: WINDOWMAKER y WINDOWVIEWER. WINDOWMAKER es el sistema

de desarrollo que permite todas las funciones necesarias para crear ventanas animadas

interactivas conectadas a sistemas de entradas/salidas externos o a otras aplicaciones

basadas en la plataforma de Windows. WINDOWVIEWER es el sistema utilizado para

ejecutar las aplicaciones creadas con WINDOWMAKER. Además de estos elementos,

Intouch consta con utilidades para manejo de los drivers en los distintos protocolos de

comunicación disponibles en los PLCs, conocidos como I/O Servers, herramientas

complementarias para intercambio de datos sobre Windows como DDE o SuiteLink,

cargados en el elemento FactorySuite y herramientas para el manejo de históricos, alarmas,

controles ActiveX, SQL industrial, entre otros.


Requerimientos e Instalación del Sistema

• Cualquier PC compatible IBM con procesador Pentium 2 GHz o superior

• Mínimo 2 Gb de disco duro

• Mínimo 520 Mb RAM

• Adaptador display SVGA (recomendado 2 Mb mínimo)

• Puntero (mouse, trackball, touchscreen)

• Adaptador de red

• Microsoft Windows 2000/2003/XP/

Intouch y sus utilidades disponen de un sencillo programa para su instalación, que

muestra el sistema operativo sobre el que va a trabajar y sitúa a un autoarranque cuando ha

sido detectado por la unidad. El paquete InTouch viene protegido por una licencia que

requiere de una llave para la activación de un determinado número de tags y para el tiempo

de manejo de su aplicación.

6.1 DESCRIPCIÓN DE LA INTERFACE

El Sistema de Control y Monitoreo desarrollado en el HMI, esta conformado por

nueve ventanas, distribuidas de la siguiente manera:

• Ventana de Inicio

• Ventana de Ingreso de Clave de Acceso

• Ventana Principal

• Ventana de Control de Nivel: Operación Manual

• Ventana de Control de Nivel: Operación Automática

• Ventana de Control de Flujo

• Ventana de la Interface de Ingeniería

• Ventana del Histórico de Flujo del proceso

• Ventana de Alarmas del proceso


Todas las ventanas utilizan el control ActiveX Gif89 para la animación de las

presentaciones en los títulos de cada ventana y animaciones de imágenes en algunas de

ellas. Para la elaboración de los botones en los menús de las ventanas se ha utilizado el

software Gif Animador, mientras que en la elaboración de los temarios de ayuda del

sistema se ha utilizado el software FastHelp.

La ventana de Inicio del Sistema está formada por un menú de tres botones:

• Principal. Que envía a la ventana principal, previo el ingreso correcto de la

clave de acceso.

• Información. Que muestra un archivo con extensión *.txt, en donde se indica

un resumen del desarrollo del Sistema, con los aspectos esenciales de su

funcionamiento, como se ilustra en la Figura 6.1.

Figura 6.1. Archivo de información en la ventana de inicio del HMI

• Ayuda (?). Que muestra el temario de ayudas para el manejo de los diferentes

menús, botones, indicadores y herramientas en las ventanas del HMI, como se

observa en la Figura 6.2.


Figura 6.2. Ventana con el temario de ayudas del Sistema de Control y Monitoreo

A continuación en la Figura 6.3, se muestra la apariencia de la ventana de inicio.

Figura 6.3. Ventana de Inicio del Sistema de Control y Monitoreo


Al pulsar el botón PRINCIPAL del menú de la ventana de inicio, se direcciona hacia

una ventana de ingreso de clave de acceso como se observa en la Figura 6.4; esto con el

objeto de brindar seguridad a las operaciones que se realicen desde la HMI. El nombre del

operador es Cristian y la clave de acceso es 8080, mientras no se digiten estos parámetros

no se ingresará a la ventana principal. Esta ventana contiene dos botones, Aceptar para

validar lo que se ha digitado y Regresar para retornar a la ventana de inicio.

Figura 6.4. Ventana de Ingreso de Clave de Acceso al Sistema

La ventana principal contiene los menús para el Control de Nivel y Control de Flujo

del Sistema. Además de estos existe un tercer menú, llamado Otras Instrucciones que nos

permite ingresar a la ventana de alarmas del sistema, mediante el botón Alarmas; regresar a

la ventana de inicio, mediante el botón Atrás e ingresar al temario de ayudas, mediante el

botón de ayuda del sistema. Su apariencia se observa en la Figura 6.5

El menú de Control de Nivel contiene dos botones, Manual que corresponde a la

operación Manual del Sistema de Control de Nivel de líquido y Automático que

corresponde a la operación automática del mismo. El menú de Control de Flujo contiene

dos botones, Control PID, que lleva hacia la ventana de Control de Flujo del proceso y el

botón de Ingeniería que lleva a la interface donde se introducen los valores de

sintonización para el controlador.


Figura 6.5. Ventana Principal del Sistema de Control y Monitoreo

La ventana de Control de Nivel en operación manual, que se ilustra en la Figura 6.6,

esta compuesta por tres switches para el arranque de las tres diferentes bombas. Bajo el

mismo criterio de operación para el panel de control, en el HMI no se podrán arrancar la

bomba 1 y bomba 2 al mismo tiempo, para evitar desperdicios de líquido y asegurar la

operación confiable en el modo manual. En el caso de que el líquido llegue al nivel alto en

el tanque 1, la bomba 1 se activará para eliminar el exceso y si existe un nivel bajo en el

mismo tanque las bombas 1 y 2 se detendrá en el caso de que estén en funcionamiento,

con el objeto de evitar su operación en vacío. Para el tanque 2, la bomba 2 detendrá su

operación en caso de funcionamiento si el nivel alto de este tanque se activa. En el caso del

tanque 3, la bomba 3 arrancará si el nivel alto de este se activa y detendrá su servicio si no

existe nivel suficiente de líquido.

Esta ventana cuenta con luces de indicación del funcionamiento de cada bomba, un

botón de parada de emergencia, la interface en la que se observa en tiempo real los

distintos niveles de los tanques y el funcionamiento de las bombas con el líquido que pasa

a través de las tuberías del sistema. Además cuenta con luces de indicación en la parte

superior derecha para mostrar el status del Sistema de Control de Nivel y Flujo. Al pulsar


sobre el instrumento para sensar el flujo del líquido que sale de la perforación se ingresará

a la ventana del histórico de flujo del proceso. El menú de la ventana ubicado en la parte

inferior derecha contiene dos botones, Atrás para regresar a la ventana principal y el botón

para acceder al temario de ayudas del sistema.

Figura 6.6. Ventana de Control de Nivel: Operación manual

La ventana de Control de Nivel en operación automática cuenta con un menú en la

parte izquierda de la ventana, que consta de los botones de Inicio y Parada del Control

automático. En la parte superior de estos botones existe una luz de indicación que muestra

que la operación automática ha sido iniciada, además existe luces de indicación para el

funcionamiento de las tres bombas involucradas en el sistema de control de nivel, como se

ilustra en la Figura 6.7.

Al igual que en el resto de ventanas, existe un botón de parada de emergencia del

sistema y la interface de esta ventana muestra en tiempo real los distintos niveles de los

tanques. En la parte superior derecha existen luces de indicación para el status del Sistema

de Control y Monitoreo.


Figura 6.7. Ventana de Control de Nivel: Operación Automática

La ventana de Control de Flujo del Sistema esta conformada por un instrumento que

integra dos botones y luces indicadoras para Iniciar y Detener el Control de Flujo para el

proceso, ubicados en la parte superior derecha. A continuación de estos botones se cuenta

con el menú para el ingreso del valor de consigna, considerando que para el

dimensionamiento del sistema de simulación en la maqueta, utilizaremos flujos de líquido

que varían hasta 190 cc/s, dado el alcance del instrumento para medir el flujo. Seguido de

este, se tiene un botón para el ingreso a la ventana de Ingeniería. En la parte central de la

ventana se encuentra un panel de medición con el valor de consigna en color rojo y el valor

de la variable procesada en color verde; además existe en el pie de cado indicador de

medición los valores numéricos de las variables mencionadas. Además de este panel,

existe un bloque de alarmas para flujo alto y flujo bajo del Sistema de Control de Flujo.

Al igual que en las otras ventanas, existe un botón de parada de emergencia y en la

parte superior derecha están ubicadas las luces indicadoras del status del Sistema. La

interface contiene el tanque 2 que involucra directamente al control de flujo, considerando

que para arrancar este controlador es necesario tener un nivel considerable de líquido en el

tanque de dosificación. Su apariencia se indica en la Figura 6.8.


Figura 6.8. Ventana de Control de Flujo del Sistema

En la ventana de interface de Ingeniería, se encuentran los valores de las variables

del control de flujo del sistema para la sintonización del controlador proporcional,

integral, derivativo. En este caso, el tipo de control que más se adapta al proceso es el de

tipo PI. En el panel de Variables de Control podemos digitar el valor de consigna; y los

valores para las constantes de ganancia proporcional (Kp), Tiempo de Integración o

reajuste (Ti) y la rapidez de derivación (Td). Además en esta ventana existe el botón para

parada de emergencia del sistema y un panel en la parte inferior en donde se observan los

valores que se obtienen en el tiempo para el valor de consigna, la variable procesada y la

variable manipulada, como se puede observar en la Figura 6.9.

Para la visualización de las variables involucradas en este sistema de control, se

utiliza una herramienta de obtención de los valores en tiempo real, PenTrend, que permite

obtener la tendencia de 16 valores al mismo tiempo y variar los parámetros con los que

deseamos adquirirlos.


Figura 6.9. Ventana de la Interface de Ingeniería para el Controlador de Flujo

En la ventana de histórico de flujo del proceso podemos obtener el caudal de líquido

que se recupera de la perforación, con el objeto del análisis para obtener distintos

parámetros de estudio correspondiente al flujo de líquido que se dirige hacia la etapa de

reciclaje. Esta ventana contiene la herramienta Historical Trend, que permite obtener datos

históricos de las variables que se deseen manipular, ajustando los parámetros de fecha,

hora, escalas, alcance; su apariencia se ilustra en la Figura 6.10.

La diferencia de esta herramienta radica en que no trabaja en tiempo real, pero

mediante el uso de la aplicación HISDATA y la herramienta HisData Panel, podemos

obtener datos mediante la conexión de los tags utilizados para su procesamiento en un

software de gestión de datos, debido a que el formato de archivo que se obtiene de esta

aplicación es *.CSV, compatible para importar hacia una hoja de cálculo de EXCEL.


Figura 6.10. Ventana del Histórico de Flujo de líquido obtenido de la perforación

La ventana de alarmas del sistema contiene una tabla de visualización de alarmas y

eventos distribuida en el proceso. Esta herramienta permite la gestión para una estructura

en red de ordenadores y para alarmas de tratamiento local. Para el desarrollo de nuestro

Sistema de Control y Monitoreo, los eventos que se generan dentro de este proceso son los

niveles alto y bajo en los distintos tanques, tratados como señales digitales. En lo que

corresponde a las alarmas del sistema, los flujos de líquido alto y bajo, que han sido

previamente ajustados, se tratan como señales analógicas y en su visualización se adquiere

los valores con los que se han obtenido. Otra alarma generada por el sistema es la parada

de emergencia dentro del proceso.

Los campos generados en esta tabla contienen la fecha, hora, reconocimiento,

prioridad, nombre de la alarma generada, grupo, valor, límite y un comentario para tomar

una acción correctiva o del estado en proceso, como se observa en la Figura 6.11.


Figura 6.11. Ventana de alarmas y eventos del Sistema de Control y Monitoreo

El acceso de Intouch a SQL permite al operador especificar consultas complejas y

operaciones mediante SQL utilizando diseños personalizados. Estas consultas pueden ser

creadas dinámicamente o estar contenidas en archivos externos. Adicionalmente, estas

consultas pueden incluir parámetros que se necesiten transferir en tiempo de ejecución,

aplicación que la utilizamos para obtener una base de datos de las alarmas y eventos

generados durante la operación del nuestro Sistema de Control y Monitoreo.

Para la integración de este componente utilizamos Microsoft SQL Server 2005

Developer Edition. En el proceso de instalación manejaremos los drivers para SQL Native

Client y SQL Server, considerando que obtendremos los datos de la HMI de manera local.

La creación y administración de los datos lo realizamos mediante la consola Microsoft

SQL Server Managment Studio, como se observa en la Figura 6.12, que permite generar

las bases de datos, tablas, vistas, usuarios, contraseñas, copias de seguridad, monitores de

actividad, errores y alertas. El tipo de servidor que se utiliza para la administración de

datos es el motor de base de datos mediante la PC local, cuyo nombre de servidor es

CRISTIAN-296FA7 con la autenticación de SQL Server para el usuario sa (super

administrator) y la clave asignada para este.


Figura 6.12. Consola SQL Server Managment Studio para la administración de la base de datos

Para la extracción y visualización de los datos almacenados, se utiliza Microsoft

Excel, como muestra la Figura 6.13. Esta herramienta constituye un software confiable

para la creación del reporte de datos generados por los eventos y alarmas de la HMI.

Figura 6.13. Microsoft Excel para importar datos y generar reportes de la base de datos


6.2 PROGRAMACIÓN

La programación de la HMI corresponde a las instrucciones utilizadas para el

desarrollo de su interface. Dentro de esta se encuentran implementadas las funciones de

conversión de unidades crudas a unidades de ingeniería para el manejo de las variables,

acciones de los botones, usos de aplicaciones, herramientas de control y monitoreo de los

parámetros del proceso, conexión con la base de datos y habilitación del servidor de

entradas/salidas para la conexión HMI-Controlador.

Para cada ventana del HMI, se utiliza una animación de presentación de la ventana a

la que corresponde, para esto utilizamos el control ActiveX GIF89, que permite la

presentación de un título animado mediante un archivo de extensión *.GIF. La sentencia

para la activación del control, la declaramos en el Windows Script en la condición On

Show de cada ventana mediante la siguiente instrucción:

#Gif89_.FileName = "c:\CRA\archivo.gif";

Donde: #Gif89_ es el control ActiveX utilizado

Archivo.gif es el nombre del archivo creado para la animación, en su respectivo

directorio de ubicación

En el menú de la ventana de inicio, en el botón de información utilizamos la

aplicación del bloc de notas para obtener el resumen del Sistema de Control en formato

*.txt, mediante la siguiente sentencia:

StartApp "e:\WINDOWS\NOTEPAD.exe informe.txt";

Para la elaboración de las ayudas del sistema utilizamos el software Fast-Help

Internacional que permite la creación de temarios para el manejo de la HMI con archivos

de extensión *.hlp, como ilustra la Figura 6.14.


Figura 6.14. Software para el desarrollo de las ayudas del Sistema

Para utilizar las ayudas dentro del desarrollo de Intouch utilizamos la aplicación

WinHelp32 de Windows mediante la siguiente sentencia:

StartApp "e:\windows\winhlp32.exe CRA_Ayudas.hlp";

Para el desarrollo de la HMI utilizamos el Application Script que contiene la

conversión de unidades para la visualización y control de las variables en el valor de

consigna, la variable procesada y manipulada. En este también se encuentra la sentencia

para la conexión de la base de datos de SQL con los tags asociados para la generación de

datos.

CRA_SP = (CRA_SP1 + 0.140) / 0.0467 ;

CRA_PV1 = 0.0467*CRA_PV - 0.140 ;

CRA_MV1 = 0.0315 * CRA_MV ;

SQLConnect(CONE,"DSN=CRA;UID=sa;PWD=8080;DB=CRISTIAN-296FA7");

SQLInsert(CONE,"CRA_ALARM","CRASQL");

SQLDisconnect(CONE);


En la Tabla 6.1 se especifican los parámetros de ajuste para la herramienta SQL Manager.

Tabla 6.1. Parámetros para la conexión de SQL

Parámetro Descripción

CONE Nombre de la conexión

DSN Nombre del DSN de usuario

UID Nombre de usuario para conectarse al SQL Server

PWD Clave de usuario para conectarse al SQL Server

DB Nombre del servidor

“CRA_ALARM” Nombre de la tabla del SQL Server

“CRASQL” Nombre del Bind List

Además de este, se utiliza 8 sentencias en el Condition Script para validar los tags

asociados a los eventos, alarmas y el ingreso de clave al sistema.

• CRA_PSW == "8080"

• CRA_PV1 <= 60

• CRA_PV1 >= 175

• CRA_T1HL == 1

• CRA_T1LL == 1

• CRA_T2HL == 1

• CRA_T2LL == 1

• CRA_T3HL == 1

• CRA_T3LL == 1

Para la generación de alarmas se ha creado un grupo específico denominado

CRA_Alarmas, que esta asociado a la tabla de distribución de eventos y alarmas del

sistema. En los detalles de alarmas colocamos los campos que obtendremos para la tabla

que se genera en la ventana.

En la conexión de SQL Server con Intouch, además de las sentencias descritas

anteriormente, se requiere la creación de un Bind List para asociar los tagnames con las

columnas de las tablas que fueron creadas en nuestra base de datos, como se indica en la

Figura 6.15.


Figura 6.15. Bind List para la conexión de tagnames con la base de datos

Cuando se requiere obtener datos externos generados desde Intouch, además de la

configuración de SQL Server, es necesario crear el origen de los datos con las herramientas

administrativas de Windows, para este caso es necesario configurar el OBDC con el DSN

del usuario con que el requiere trabajar, como se ilustra en la Figura 6.16.

Figura 6.16. Configuración de orígenes de datos para la conexión con SQL Server


Para la comunicación entre el autómata TWIDO y el software de desarrollo de la

interface se utiliza el servidor de E/S MODBUS de Wonderware Modicon. Este

componente es un desarrollo de Microsoft Windows que actúa como servidor del

protocolo de comunicación y permite que otras aplicaciones de programas de Windows

accedan a los datos de los PLCs. La comunicación se la realiza vía conexión serial RS-232

o RS-422.

El protocolo de comunicación direcciona un elemento de datos en un diálogo que

usa la convención de tres nombramientos que incluye el nombre de la aplicación, del

tópico y del elemento, como se indica en la Figura 6.17 y Figura 6.18.

• Application Name: el nombre del programa de Windows (servidor) que

accederá el elemento de datos. En el caso de los datos que entran y salen de

dispositivos compatibles con Modicon vía este servidor, el nombre de la

aplicación es MODBUS.

• Topic Name: El significado total de este nombre es configurado en el servidor

para identificar dispositivos específicos. En el caso de nuestra aplicación, se

requiere un diálogo entre el TWIDO y la PC. El nombre con el identificamos al

tópico es PLC y su configuración en el servidor se observa en la siguiente

figura.

Figura 6.17. Definición del Tópico para comunicación mediante Modicon MODBUS


• Item Name: Un elemento de datos específico acorde con el tópico descrito.

Para el desarrollo de esta interface, se utiliza los registros de bit de memoria y

de palabra de memoria desarrollados en la lógica de programación del PLC para

la conexión con Intouch.

En la configuración del Access Name en nuestra aplicación vía DDE, utilizamos la

convención mostrada anteriormente; con la consideración de que el Node Name se utiliza

si los datos se obtienen desde otro dispositivo, caso contrario al utilizarlos localmente

desde la misma PC se deja el espacio en blanco.

El nombre de acceso es aleatorio, por recomendación se utiliza el mismo que del

tópico.

Figura 6.18. Configuración del Nombre de Acceso para comunicación con Intouch


A continuación en la Tabla 6.2, se indican los tagnames utilizados para el desarrollo

de la HMI, en la programación de las diferentes ventanas, funciones de control y monitoreo

y las acciones de los controles en la interface.

Tabla 6.2. Tagnames para el desarrollo de la HMI

Tagname Tipo Grupo Access

Name

Item

Name

CONE Memory Integer $System - -

CRA_Alarmas Alarm Group $System - -

CRA_AUTOL I/O Discrete $System PLC 00009

CRA_B1 I/O Discrete $System PLC 00016



CRA_FA Memory Discrete $System - -

CRA_FLUJO I/O Discrete $System PLC 00021

CRA_FLUJOALTO Memory Discrete CRA_Alarmas - -

CRA_FLUJOBAJO Memory Discrete CRA_Alarmas - -

CRA_Help Memory Discrete $System - -

CRA_INF Memory Discrete $System - -

CRA_INGRESO Memory Discrete CRA_Alarmas - -

CRA_KP I/O Integer $System PLC 40003

CRA_L1 I/O Discrete $System PLC 00037



CRA_MANAUTO I/O Discrete $System PLC 00015

CRA_MV I/O Real $System PLC 40009

CRA_MV1 Memory Real $System - -

CRA_NOMBRE Memory Message CRA_Alarmas - -

CRA_PSW Memory Message CRA_Alarmas - -

CRA_PV I/O Real $System PLC 40008

CRA_PV1 Memory Real $System - -

CRA_SP I/O Real $System PLC 40002



Name

Item

Name

CRA_SP1 Memory Real $System - -

CRA_START I/O Discrete $System PLC 00019

CRA_STOP I/O Discrete $System PLC 00020

CRA_STOPE I/O Discrete CRA_Alarmas PLC 00022

CRA_T1HL I/O Discrete $System PLC 00023

CRA_T1HLAlarm Memory Discrete CRA_Alarmas - -

CRA_T1LL I/O Discrete $System PLC 00024

CRA_T1LLAlarm Memory Discrete CRA_Alarmas - -









CRA_TD I/O Integer $System PLC 40005

CRA_TI I/O Integer $System PLC 40004

HDWDataDir I/O Message $System Hisdata

Viewstr

Datadir

HDWDBDir I/O Message $System Hisdata

Viewstr

DBDir

HDWDuration I/O Message $System Hisdata

Viewstr

Duration

HDWError I/O Message $System Hisdata

Viewstr

Error

HDWFilename I/O Message $System Hisdata

Viewstr

Filename

HDWInterval I/O Message $System Hisdata

Viewstr

Interval

HDWStartDate I/O Message $System Hisdata StartDate



Name

Item

Name

HDWStartTime I/O Message $System Hisdata

Viewstr

StartTime

HDWStatus I/O Message $System Hisdata

Viewstr

Status

HDWTags I/O Message $System Hisdata

Viewstr

Tags

HDWTags1 I/O Message $System Hisdata

Viewstr

Tags1

HDWTags2 I/O Message $System Hisdata

Viewstr

Tags2

HDWTemp Memory Message $System - -

HDWWriteFile I/O Integer $System Hisdata

Viewstr

WriteFile

HistTrend Hist Trend $System - -

HistTrendPanMins Memory Integer $System - -

HistTrendPenScale Memory Integer $System - -

6.3 FUNCIONES DE CONTROL Y MONITOREO

6.3.1 Entorno de Desarrollo: WindowMaker

InTouch trabaja con ventanas o pantallas, estas disponen de elementos animados,

tendencias gráficas, alarmas y lógica asociada. Antes de iniciar la aplicación, es necesario

definir la pantalla sobre la que vamos a trabajar. Las pantallas pueden ser de tres tipos:

• Replace: Cierra cualquier otra ventana que corte cuando aparece en pantalla,

incluyendo ventanas tipo popup u otras tipo replace.

• Overlay: Aparece sobre la ventana visualizada. Cuando cerramos una ventana

tipo overlay, cualquier ventana que estuviera escondida bajo la overlay será

restablecida. Seleccionando cualquier porción o parte visible de una ventana

debajo de la overlay, provocará que esta ventana pase a ser considerada activa.


• Popup: Similar a la overlay, pero en el caso de popup la ventana siempre queda

por encima de las demás, y no desaparece ni aunque pulsemos con el ratón

sobre otra. Normalmente será necesario hacer desaparecer la ventana popup

antes de que aparezca otra.

WindowMaker de InTouch es una herramienta de dibujo basada en gráficos por

objetos, en lugar de en gráficos por pixels, lo que significa que se crea objetos

independientes unos de otros. Ello facilita la labor de edición del dibujo y, lo que es más

importante, permite una enorme sencillez y potencia en la animación de cada uno de los

objetos, independientemente o por grupos. Para esto, se dispone de una Barra de

Herramientas de dibujo, que permite una edición rápida de cualquier elemento. El

funcionamiento de esta barra es muy sencillo, ya que seleccionamos con el cursor aquel

elemento que deseemos colocar en pantalla, disponiendo siempre de un texto inferior que

indica la utilidad de cada herramienta.

Los Elementos Wizards se definen como elementos inteligentes, que permiten que

las aplicaciones en InTouch puedan ser generadas de un modo más rápido y eficiente.

Estos elementos admiten crear rápidamente un objeto en la pantalla. Haciendo doble click

sobre el objeto se puede asociar links de animación, asignar a tagnames o incluso incluir

una lógica en ese objeto. Si se agrupa varios de estos objetos, se puede crear un elemento

completo, acabado y programado, que se utiliza tantas veces como sea necesario.

Además de estos Wizards, es posible utilizar otros más complejos que provoquen

operaciones en background, tales como crear/convertir una base de datos, importar un

fichero AutoCad, configurar módulos de software (Recipes), entre otros. Los elementos en

su mayoría son escalables y configurables en tamaño, permitiendo modificar y ajustar los

dibujos ya hechos a un tamaño necesario para la ventana desarrollada.

6.3.2 Definición de Tagnames

El diccionario de tagnames es el núcleo de InTouch. Durante la ejecución de la

aplicación, este diccionario contiene todos los valores de los elementos en la base de datos;


para crear esta, el software incorpora los elementos que la van a componer. Por lo tanto,

InTouch crea una base de datos con todos los tags que se necesita para la aplicación. A

cada uno de estos datos se asigna un nombramiento mediante una convención

especificada por el programa. Al final, se dispone un diccionario con todos los tagnames o

datos utilizados en la aplicación.

Desde el diccionario de tagnames, se define los tags y sus características. Existen

diversos tipos de tagnames, según su función o características. Básicamente se dividen de

acuerdo a la Tabla 6.3.

Tabla 6.3. Clasificación de los tagnames

Tipo Descripción

MEMORY Tags de registros internos de InTouch

I/O Registros de enlace con otros programas o I/0 de dispositivos

externos mediante Servidor

INDIRECT Tags de tipo indirecto

GROUP VAR Tags de los grupos de alarmas

HISTTREND Tag asociado a los gráficos históricos

TagID Información acerca de los tags que están siendo visualizados en una

gráfica histórica

$ Tags del sistema

A su vez, los tres primeros tipos se clasifican dentro de otro grupo, como se indica

en la Tabla 6.4.

Tabla 6.4. Subclasificación de los tagnames Memory, I/O e Indirect

Tipo Descripción

DISCRETE Puede disponer de un valor 0 ó 1

INTEGER Tagname de 32 bits con signo. Su valor va desde -2.147.483.648

hasta 2.147.483.647


Tipo Descripción

REAL Tagname en coma flotante. Su valor va entre ±3.4e 38. Todos los

cálculos son hechos en 64 bits de resolución, pero el resultado se

almacena en 32 bits

MESSAGE Tagname alfanumérico de hasta 131 caracteres de longitud

6.3.3 Scripts

InTouch permite crear una lógica interna con condiciones para cálculos, operaciones,

etc. Esta lógica puede estar asociada a:

• Toda una aplicación (APPLICATION SCRIPTS)

• Una sola ventana (WINDOW SCRIPTS)

• Una tecla (KEY SCRIPTS)

• Una condición (CONDITION SCRIPTS)

• Cambio de un dato (DATA CHANGE SCRIPTS)

• Asociadas a un ActiveX

• Funciones Usuario (QUICKFUNCTIONS)

Los Scripts son programas que permiten llevar a cabo acciones determinadas

mediante una estructura IF...THEN...ELSE y la inclusión de funciones específicas del

sistema que pueden ser utilizadas dentro de la lógica de la aplicación. Esta lógica estará

activa de acuerdo al tipo de Script elegido. Las funciones se clasifican en:

• Funciones de texto

• Funciones matemáticas

• Funciones del Sistema

• Funciones del Misceláneo

6.3.4 Alarmas y Eventos

Este software soporta la visualización, impresión y archivo en disco duro o en base

de datos relacional, de alarmas tanto digitales como analógicas para la notificación al


operador de condiciones del sistema de dos modos distintos: Alarmas y Eventos. Una

alarma es una acción anormal que puede ser perjudicial para el proceso y que normalmente

requiere de algún tipo de actuación por parte del operador. Un evento es una acción de

estado normal del sistema que no requiere ningún tipo de respuesta por parte del operador.

Los tipos de alarmas y eventos existentes se indican en la Tabla 6.5:

Tabla 6.5. Tipos de Alarmas y Eventos del Sistema

Condición de Alarma Tipo

Discrete DISC

Deviation – Major LDEV

Deviation – Minor SDEV

Rate-Of-Change (ROC) ROC

SPC SPC

Value - LoLo LOLO

Value - Lo LO

Value - Hi HI

Value - HiHi HIHI

Cada alarma se asocia a un tag. Dependiendo del tipo de tag es posible crear distintos

tipos de alarmas y eventos. A cada alarma puede asociarse un nivel de prioridad de 1 a

999, donde Prioridad 1 es la más crítica. Ello permite filtrar alarmas en displays, en

impresora o en disco duro.

InTouch dispone de un cómodo sistema para prioridades de alarmas. Cuando se crea

un tagname de alarma, este se asigna a un grupo de alarmas. Estos grupos o jerarquías de

alarmas permiten representar qué alarmas son las más importantes, a la vez que permiten

reconocer un grupo de alarmas en lugar de todas a la vez. Al crear un tag, se asocia a un

grupo y en caso de no hacerlo, el tag de alarma queda automáticamente asociado al grupo

principal, llamado $SYSTEM.


Para el desarrollo del sistema de Control y Monitoreo de nuestra aplicación, se utiliza

la herramienta Wizard de Objeto de Alarmas. Esta crea una tabla con los contenidos de los

campos a visualizar. Para la configuración de esta herramienta se ajustan los parámetros

indicados de la Tabla 6.6.

Tabla 6.6. Parámetros de configuración de las Alarmas y Eventos


Display Name Nombre relacionado del display

New Alarms Appear At Alarmas nuevas al principio del display (Top), o al

final (Bottom)

Show Titles Muestra o no títulos

Show Vert Scroll Bar Muestra o no la barra de scroll vertical

Show Horz Scroll Bar Muestra o no la barra de scroll horizontal

Show Status Bar Muestra o no la barra de estado

Allow Runtime Grid Changes Permite o no cambios en la grilla de visualización

durante el tiempo de ejecución

Perform Query on Startup Ejecuta consulta sobre alarmas al arrancar

Auto Scroll to New Alarms Se posiciona automáticamente en la nueva alarma

Allow Runtime Alarm Selection Permite selección de alarmas en tiempo de ejecución

Use Extended Alarm Selection Usa selección extendida de alarmas

From ... To Priority Niveles de prioridad de alarma mayor y menor que se

visualizarán en el objeto de alarmas

Alarm State Define Ver todas las alarmas (all) o sólo las no reconocidas

(unack)

Query Type Alarm Summary para visualizar las alarmas activas

actualmente. Alarm History para visualizar las

alarmas activas y las que han dejado de ser activas en

el sistema

Alarm Query Nodo de consulta. Por defecto es \InTouch!$System

(alarmas del propio nodo del grupo $System). Para las

Alarmas de nuestra aplicación el nodo corresponde a

(\InTouch!CRA_Alarmas)



Date Muestra la fecha y su formato

Time Muestra la hora y su formato

Alarm State Estado de la Alarma

Alarm Class Clase de la Alarma

Alarm Type Muestra el tipo de alarma

Priority Prioridad de la alarma

Alarm Name Nombre de la Alarma

Group Name Grupo de alarma asociado

Alarm Provider Nodo Proveedor de la Alarma

Value at Alarm Valor del registro dentro de la pantalla de alarmas

Limit Valor límite de la alarma del registro

Operator Asociar el número de identificación del operador con

la alarma

Comment Comentario asociado

6.3.5 Tendencias históricas y de tiempo real

Las curvas históricas y de tiempo real, permiten visualizar la evolución con respecto

al tiempo de un dato en forma de curva o tendencia. Este dato debe haber sido almacenado

previamente, por lo que el tagname visualizado en este tipo de curvas debe ser definido

como tipo rastreado (Log Data). Para la activación del gestor de curvas históricas, se debe

configurar los parámetros indicados en la Tabla 6.7.

Tabla 6.7. Parámetros de configuración de la herramienta de Tendencias históricas


Enable Historical Logging Activación del gestor de históricos

Keep Log Files For Indica e número de días que se requiere mantener en

disco los ficheros históricos. "0" significa que jamás se

borran automáticamente.



Store Log Files ... Indica la carpeta donde se guardarán los ficheros

históricos

Printing Control Control de impresión. Recomendado dejar por defecto

Una vez configurada esta opción, es necesario ajustar los parámetros con los que se

van a obtener los datos de la herramienta Historical Trend del Wizard. Dentro del cuadro

de configuración se definen los campos indicados en la Tabla 6.8.

Tabla 6.8. Parámetros de ajuste de la herramienta de Tendencias históricas


HistTrend Tag asociado a la curva histórica. Oprimiendo el

pulsador Suggest, InTouch sugerirá un nombre de tag

Pen Scale Tag asociado a la curva histórica. Oprimiendo el

pulsador Suggest, InTouch sugerirá un nombre de tag

Values Permite definir el eje vertical (valores)

Times Permite definir el eje horizontal (tiempos)

Pens Permite definir los valores asociados a cada uno de los

lápices de trazado de la curva.

Dentro de los Wizards, se dispone de la herramienta de pulsadores de la curva

histórica. Esta herramienta tiene ya programados pulsadores para lograr zooms de la

tendencia ha tratar, tiene también programados los punteros de selección de fecha/hora,

permitiendo definir diversas funciones sin necesidad de programación.

La aplicación HistData permite convertir datos de ficheros históricos generados por

InTouch a ficheros de tipo csv (Comma Separated Value). Estos son fácilmente manejables

por programas para la generación de reportes, tales como Excel y permiten de este modo

crear todo tipo de informes. Para llevar a cabo la selección de datos a convertir y la

conversión, HistData se enlaza con tagnames de InTouch mediante DDE. Las


variables que incluye HistData son las mostradas en la tabla de los tagnames utilizados

para el desarrollo de esta aplicación en el tema correspondiente a Programación.

6.3.6 Gestión con SQL

La herramienta SQL Access Manager está diseñada para transferir datos de manera

sencilla y transparente en tiempo de ejecución de la aplicación. Esta operación de Intouch

esta basada en funciones de conectividad propias de SQL, donde se crea y asocia las

columnas de las tablas de la base de datos, con los tagnames de la aplicación desarrollada.

El proceso de asociación es conocido como Enlace y se lo realiza mediante la

herramienta Bind List. SQL Access Manager guarda los nombres de los campos de la base

de datos y sus asociaciones en el formato *.CSV, en un archivo llamado SQL.DEF.

Este archivo puede ser visualizado y modificado por un editor de texto o un software para

la gestión de datos dinámicos.

Las funciones de SQL pueden ser usadas en cualquier Script de Intouch,

dependiendo de la aplicación y programación de la interface. Estas funciones pueden ser

ejecutadas automáticamente basadas en la entrada del operador, en el cambio de un

tagname asociado para una condición, entre otras.

Además de estas funciones, SQL de Intouch brinda la posibilidad de crear nuevas

tablas, insertar nuevos datos dentro de las tablas, editar los campos existentes, limpiar los

datos de las tablas, eliminar tablas y navegar entre los datos generados por la aplicación.

Cuando la aplicación de SQL es ejecutada, los argumentos de la plantilla de la tabla

definen la estructura del archivo de la base de datos. Al ejecutar las funciones de SQL, el

argumento de la herramienta Bind List define los tagnames de Intouch que van a ser

usados para la asociación de las columnas en las tablas de la base de datos. A continuación

en la Figura 6.19 se muestra el funcionamiento del SQL Access Manager.


Figura 6.19. Proceso de funcionamiento de SQL Access Manager

6.3.7 Comunicaciones

La comunicación DDE. DDE es un protocolo de comunicaciones desarrollado por

Microsoft para intercambio de datos entre aplicaciones Windows. DDE es un sistema

estándar en Windows de uso simple, en el que la comunicación se establece

automáticamente entre programas que contemplan la estructura DDE (cliente-servidor). Un

programa que puede mandar datos al bus DDE es un programa servidor. Un programa

cliente puede recibir datos DDE. Esta comunicación permite crear programas con gestiones

especiales basados en software de programación de objetos, hojas de cálculo, entre otros y

trasferir los datos a InTouch sin necesidad de crear un programa de comunicaciones. Así

ocurre con los servidores de autómatas que dispone Wonderware I/O Servers, entre los que

se incluyen la gran mayoría de los PLCs más conocidos del mundo con comunicación

punto a punto como en red. Intouch brinda la posibilidad de direccionar un servidor DDE

a un puerto de comunicaciones y otro servidor a otro puerto, con lo que podemos compartir

información que venga de distintos PLCs o sistemas de campo.


La comunicación que soporta el autómata Twido esta basada en el protocolo

Modbus, para esto se utiliza el I/O Server de Modicon que dialoga Modbus para

aplicaciones de Microsoft Windows con capacidades para actuar en DDE, Fast DDE o

SuiteLink.

Es importante notar la convención dada para el Nombre del elemento (Item Name),

que se maneja para estandarizar la comunicación de Modicon Modbus con los distintos

dispositivos PLCs. El servidor permite seleccionar un tipo de esclavo cuando se configura

la definición del tópico para el dispositivo. Los rangos de direcciones del PLC que soporta

esta comunicación se indican en la Tabla 6.9.

Tabla 6.9. Convención para el manejo de los rangos de direcciones en el protocolo MODBUS

Tipo de

PLC

Tipo de elemento

Rango Tipo de

tag

Acceso

484

Bobina

Contacto

Registro de entrada

Registro de almacenamiento

1-999

1001-1999

3001-3999

4001-4999

Discreto

Discreto

Análogo

Análogo

Lectura/Escritura

Sólo Lectura

Sólo Lectura

Lectura/Escritura

584/984

Micro84

Bobina

Contacto

Registro de entrada


Registro de memoria exten.

1-9999

10001-19999

30001-39999

40001-49999

60001-69999

Discreto

Discreto

Análogo

Análogo

Análogo

Lectura/Escritura

Sólo Lectura

Sólo Lectura

Lectura/Escritura

Lectura/Escritura

6

dígitos

Bobina

Contacto

Registro de entrada


Registro de memoria exten.

1-65536

100001-165536

300001-365536

400001-465536

600001-699999

Discreto

Discreto

Análogo

Análogo

Análogo

Lectura/Escritura

Sólo Lectura

Sólo Lectura

Lectura/Escritura

Lectura/Escritura


Utilizando esta convención y las recomendaciones del fabricante para el

direccionamiento de los objetos de bit y de palabras en la lógica del programa, se acotan

las siguientes consideraciones:

• Los contactos que se direccionan con las entradas discretas del autómata no se

utilizan directamente para la comunicación mediante Modbus. Las bobinas que se

direccionan con las salidas discretas del autómata no se utilizan directamente

debido a que guardan su último estado de funcionamiento. Este inconveniente se

resuelve utilizando contactos y bobinas auxiliares que se guardan en nuevos objetos

de bit.

• Los contactos y bobinas almacenados en otras direcciones de objetos de bits se

enlazan al I/O Server de Modicon utilizando el siguiente formato en el Item Name:

%M[n] =[n+1] desde 00001 hasta 09999

Por ejemplo: %M0 = 00001, donde la entrada/salida discreta asociada al objeto de

bit %M0 ha sido almacenada en la lógica del programa.

• Para la conexión de las entradas/salidas analógicas y valores analógicos del

autómata con el protocolo de comunicación se utilizarán direcciones de objetos de

palabra asociados a las direcciones del controlador.

• En el caso de los registros asociados a objetos de palabra, se utilizará el siguiente

formato para la lectura/escritura mediante el protocolo de comunicación de

Modicon Modbus.

%MW[n] = [n+1] desde 40001 hasta 49999

Por ejemplo: %MW0 = 40001, donde el registro esta asociado al objeto de palabra

en la lógica del programa.

CAPITULO 7 SIMULACIÓN Y ANALISIS DE RESULTADOS 199

CAPÍTULO 7

SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

7.1 SIMULACIÓN

7.1.1 Maqueta del Circuito de Reciclaje de Agua

Para la simulación del Sistema de Control y Monitoreo del Circuito de Reciclaje de

Agua se utiliza un maqueta a escala 1:40, dimensionando los dispositivos para las acciones

de control y monitoreo del proceso obtenidas en el simulador. Las tres tinas utilizadas son

de material plástico de 51x40x32cm con capacidad para 54 litros. En esta simulación se

desarrolla la etapa de captación y conducción del líquido y la etapa de reciclaje del líquido

utilizado para la perforación.

En la primera etapa del circuito, se utiliza una tina para la simulación del proceso de

acumulación del líquido que proviene desde la vertiente de agua. Seguido de esta,

planteando un modelo no interactivo de tinas en serie, se encuentra la tina de dosificación,

donde se agregan distintos materiales antes de ingresar a la perforación. Posterior a esta se

encuentra la etapa de reciclaje, en cuyo caso se utilizará una tina para captar el líquido que

proviene de la perforación y nuevamente enviar esta agua hacia la tina de acumulación. El

diagrama de las dimensiones para la simulación del circuito se encuentra en el anexo que

corresponde al modelamiento de la maqueta.

Para el diseño en maqueta, en lo correspondiente al Sistema de Control y

Monitoreo de Flujo, se utiliza un sensor térmico ajustado a la tubería de media pulgada que

conecta al sistema, como se indica en la Figura 7.1a. Este sensor cumple con el

dimensionamiento para la simulación propuesta para mediciones cuya velocidad de flujo

varia entre 0 a 150 cm/s en agua, con una temperatura permisible de trabajo entre 0 a

70˚C y para una presión máxima de 200 bares. Para el control de flujo hacia la perforación,


se utiliza una bomba sumergible en servicio de descarga, para tubería de media pulgada,

con una potencia de 30W y un caudal de 360GPH, como se ilustra en la Figura 7.1b.

a b

Figura 7.1. a) Sensor de Flujo del Sistema. b) Bomba para el control de flujo del Sistema

Para el caso del diseño en maqueta del circuito, en lo correspondiente al Sistema de

Control y Monitoreo de Nivel en las tinas del circuito, se utiliza interruptores de nivel de

montaje vertical adaptados para actuar sobre dos niveles en las distintas tinas del circuito.

Estos interruptores trabajan hasta una temperatura máxima de 105˚C, presión máxima de

10 Bares y en diferentes tipos de líquidos debido a que su material de construcción es

Tereptalato de Polibutileno en el cuerpo del interruptor y una aleación de Buna-N con

Epóxica en el flotador.

En lo que se refiere al control del nivel, las bombas que controlan el paso de líquido

desde la tina de acumulación hacia la tina de dosificación y la bomba que activa el retorno

del líquido hacia la vertiente, actúan en servicio de descarga para tubería de media pulgada,

con una potencia de 18W, un caudal máximo de 237GPH y se ilustran en la Figura 7.2a.

En el caso del control del nivel para la tina del líquido reciclado, se utiliza una

bomba sumergible en servicio de descarga, en cuyo caso alcanza una altura máxima de 1.6

metros para tubería de media pulgada, con una potencia de 28W y un caudal máximo de

317GPH. Su instalación se muestra en la Figura 7.2b.


a b

Figura 7.2. a) Interruptores de nivel y bombas para el control de nivel del sistema.

b) Tina de reciclaje del agua utilizada para la perforación

7.1.2 Panel de Control

El propósito del diseño del panel es elaborar un Sistema de Control que este ubicado

dentro del proceso para que pueda ser manejado localmente por el operador, pero además

pueda ser controlado y monitoreado de forma remota mediante la inclusión de un Sistema

HMI-SCADA aprovechando las prestaciones del autómata Twido.

El bastidor del Panel del Control es de material metálico de 40x60x20cm, contiene

una clavija de seguridad en la parte central del extremo derecho con llave de tipo triangular

y su apariencia se ilustra en la Figura 7.3a.

En el interior del bastidor en su parte posterior, existe una placa metálica de

36x54x2cm, que se utiliza para el montaje de las rieles DIN35 y de las canaletas plásticas

ranuradas 33x33mm. El montaje de los dispositivos del panel de control se observa en la

Figura 7.3b.


a b

Figura 7.3. a) Vista frontal del panel de control.

b) Cableado y conexiones en Interior del panel

En la parte frontal del panel se encuentran los botones, switches y luces pilotos que

se involucran el las operaciones de Control de Nivel y Flujo del Sistema. El panel de

control se aprecia en la Figura 7.4.

• Control de Nivel: Dos formas de operación posibles:

• Manual:

• Switch Arranque/Parada Bomba 1



• Automático:

• Botón para Iniciar

• Botón para Detener

• Control de Flujo: Switch para el Iniciar/Detener el controlador de flujo

• Luces piloto para indicación de funcionamiento de Bomba 1, Bomba 2, Bomba 3

• Luz piloto para indicar el funcionamiento del Control de Flujo del Sistema

• Bloque de Alarmas para indicar los niveles en las tinas del circuito.


Figura 7.4. Panel de Control del Sistema para el Circuito de Reciclaje de Agua

Los diagramas eléctricos y de montaje de los rieles y canaletas del panel de control

se encuentran en el anexo que corresponde al panel de control.

7.2 PRUEBAS Y RESULTADOS

En el proceso de análisis de la maqueta del Circuito de Reciclaje de Agua, se han

realizado modificaciones complementarias, que permiten un mejor desempeño en el

Sistema de Control de Nivel y Flujo. Para el Control de Nivel del líquido, es importante la

consideración de que las bombas no arranquen en vacío para evitar daños en su

funcionamiento, por esta razón, los interruptores de nivel bajo se colocarán una altura

mínima superior al nivel del mecanismo de succión de la bomba. La tubería que transporta

el líquido desde la tina de acumulación hacia la tina de dosificación, en su tramo final,

deberá estar ligeramente asentada, con un corte seccional en diagonal, con el objeto de

evitar demasiada turbulencia en la tina y que la bomba para el Control de Flujo del sistema

funcione de forma incorrecta.

Para el Control de Flujo de líquido, se ha colocado un depósito entre la tubería de

conducción hacia la simulación de la perforación y la tubería de transporte desde la bomba.

Este mecanismo de depósito cumple con dos funciones; la primera corresponde a la

función de estabilizar el flujo de líquido que ingresa hacia el sistema, tomando en cuenta

que esta variable tiene considerables desviaciones y su constante de tiempo es corta. La


otra función del depósito es evitar el efecto de vacío causado por la acción de la gravedad

y el desnivel que se crea al descargar el líquido en el sistema.

Los resultados obtenidos con el diseño e implementación en maqueta son

considerablemente confiables, donde se brinda un controlador rápido que garantiza que el

nivel del líquido no sobrepasa la capacidad de las tinas del circuito pero a la vez se

mantiene para la operación continua del sistema. Por otro lado, no existe el riesgo de que

los elementos finales de control actúen en vacío, protegiendo su mecanismo de

funcionamiento y por ende alargando su vida útil en operación. El Control de Flujo de

Líquido cumple con el alcance inicialmente planteado de la utilización del recurso hídrico

de forma mesurada. En la parte que involucra el proceso, se garantiza un flujo constante

dependiendo de los parámetros ajustados en la consigna, que permiten compensar las

pérdidas de líquido causadas por la infiltración dentro de la perforación y con esto lubricar

y refrigerar eficientemente la herramienta de perforación, eliminando los detritos

producidos por la acción abrasiva.

El desarrollo de la HMI, permite el Control y Monitoreo en tiempo real del proceso,

reduciendo el tiempo en el tratamiento de los datos obtenidos en el circuito de reciclaje y

aumentando la calidad en el proceso de perforación causado por la reducción de las

maniobras y tareas repetitivas por parte del operador. Este análisis permite deducir la

reubicación del personal operativo en tareas más críticas, que permiten optimizar el tiempo

de obtención de testigos consiguiendo mayores y mejores resultados.

Para realizar el estudio de resultados en las pruebas sometidas al Sistema de Control

y Monitoreo de Nivel y Flujo de líquido es necesario cuantificar el proceso de análisis.

Para este caso, se utiliza dentro de la simulación un flujo constante suministrado por la

acometida de agua con un valor equivalente a 110 cc/s. En lo que corresponde al análisis

del Sistema de Control del Nivel de Líquido, se ha realizado pruebas para obtener el

comportamiento del proceso en un régimen constante, durante un período de dos días

desde las 11:30 am del primer día hasta las 7:30pm del segundo día. El procedimiento a

realizar consistió en utilizar la acometida de agua por un período aproximado de 45

minutos hasta observar un comportamiento de estabilización del Sistema de Control de

nivel de Líquido. Para el caso, se obtuvo los eventos de niveles generados en las distintas


tinas, que se indican en la Tabla 7.1, donde el valor 0 corresponde a que no se ha generado

un evento en el nivel del líquido y el valor 1 corresponde a la generación de un evento.

Tabla 7.1. Análisis de Resultados. Sistema de Control de Nivel

SISTEMA DE CONTROL Y

MONITOREO ALARMAS Y EVENTOS DATE TIME T1ALTO T1BAJO T2ALTO T2BAJO T3ALTO T3BAJO 4/24/2008 11:30:19 AM 0 0 0 0 0 0 4/24/2008 12:30:19 PM 0 0 0 0 0 0 4/24/2008 1:30:19 PM 0 1 0 0 0 0 4/24/2008 2:30:19 PM 0 0 0 0 0 0 4/24/2008 3:30:19 PM 0 0 0 1 0 0 4/24/2008 4:30:19 PM 0 0 0 0 0 1 4/24/2008 5:30:19 PM 0 0 0 0 0 0 4/24/2008 6:30:19 PM 0 0 1 0 0 0 4/24/2008 7:30:19 PM 0 0 0 0 1 0 4/24/2008 8:30:19 PM 0 0 0 0 0 0 4/24/2008 9:30:19 PM 0 0 0 0 0 0 4/24/2008 10:30:19 PM 0 0 0 0 1 0 4/24/2008 11:30:19 PM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 12:30:19 AM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 1:30:19 AM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 2:30:19 AM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 3:30:19 AM 0 0 0 0 0 1 4/25/2008 4:30:19 AM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 5:30:19 AM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 6:30:19 AM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 7:30:19 AM 0 1 0 0 1 0 4/25/2008 8:30:19 AM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 9:30:19 AM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 10:30:19 AM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 11:30:19 AM 0 0 0 1 0 0 4/25/2008 12:30:19 PM 1 0 0 0 0 1 4/25/2008 1:30:19 PM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 2:30:19 PM 0 0 1 0 0 0 4/25/2008 3:30:19 PM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 4:30:19 PM 0 0 0 0 0 1 4/25/2008 5:30:19 PM 0 0 0 0 0 0 4/25/2008 6:30:19 PM 1 0 0 0 0 0 4/25/2008 7:30:19 PM 0 0 0 0 0 0


En lo que corresponde al análisis de resultados del Sistema de Control de Flujo del

proceso, se procedió a importar un reporte de los flujos de líquido obtenidos en la HMI

hacia una hoja de cálculo de EXCEL. El procedimiento que se siguió fue controlar con dos

distintos valores de consigna que corresponden a 165 cc/s y 180 cc/s, para posteriormente

crear una perturbación a través de la válvula manual que simula la infiltración del líquido

dentro de la perforación. La Tabla 7.2a y 7.2b indica los valores obtenidos en esta

simulación para las consignas 165 y 180 cc/s respectivamente. Los valores de flujos

marcados con negrilla indican el inicio de la perturbación.

Tabla 7.2. Análisis de Resultados. Sistema de Control de Flujo. a) Setpiont =165 b) Setpoint = 180

a b

DATE TIME FLUJO[cc/s] DATE TIME FLUJO[cc/s] 4/24/2008 11:35:00 AM 13 4/24/2008 11:35:00 AM 8 4/24/2008 11:35:02 AM 138.6 4/24/2008 11:35:02 AM 128.2 4/24/2008 11:35:04 AM 165.6 4/24/2008 11:35:04 AM 178.9 4/24/2008 11:35:06 AM 165.4 4/24/2008 11:35:06 AM 180.3 4/24/2008 11:35:08 AM 165.3 4/24/2008 11:35:08 AM 180.5 4/24/2008 11:35:10 AM 165.3 4/24/2008 11:35:10 AM 180.4 4/24/2008 11:35:12 AM 165.8 4/24/2008 11:35:12 AM 181.2 4/24/2008 11:35:14 AM 165.4 4/24/2008 11:35:14 AM 180.6 4/24/2008 11:35:16 AM 165.6 4/24/2008 11:35:16 AM 136.7 4/24/2008 11:35:18 AM 165.4 4/24/2008 11:35:18 AM 132.5 4/24/2008 11:35:20 AM 165.3 4/24/2008 11:35:20 AM 157.7 4/24/2008 11:35:22 AM 165.5 4/24/2008 11:35:22 AM 153.9 4/24/2008 11:35:24 AM 123.5 4/24/2008 11:35:24 AM 176.7 4/24/2008 11:35:26 AM 121.6 4/24/2008 11:35:26 AM 178.6 4/24/2008 11:35:28 AM 135.7 4/24/2008 11:35:28 AM 181.7 4/24/2008 11:35:30 AM 158.6 4/24/2008 11:35:30 AM 181.1 4/24/2008 11:35:32 AM 163.6 4/24/2008 11:35:32 AM 180.7 4/24/2008 11:35:34 AM 165.2 4/24/2008 11:35:34 AM 180.5 4/24/2008 11:35:36 AM 165.3 4/24/2008 11:35:36 AM 180.4 4/24/2008 11:35:38 AM 165.6 4/24/2008 11:35:38 AM 180.4 4/24/2008 11:35:40 AM 165.4 4/24/2008 11:35:40 AM 180.3 4/24/2008 11:35:42 AM 165.5 4/24/2008 11:35:42 AM 180.3 4/24/2008 11:35:44 AM 165.3 4/24/2008 11:35:44 AM 180.5 4/24/2008 11:35:46 AM 165.2 4/24/2008 11:35:46 AM 180.2 4/24/2008 11:35:48 AM 165.3 4/24/2008 11:35:48 AM 180.4 4/24/2008 11:35:50 AM 165.2 4/24/2008 11:35:50 AM 180.3 4/24/2008 11:35:52 AM 165.4 4/24/2008 11:35:52 AM 180.5 4/24/2008 11:35:54 AM 165.6 4/24/2008 11:35:54 AM 180.4 4/24/2008 11:35:56 AM 165.4 4/24/2008 11:35:56 AM 180.3 4/24/2008 11:35:58 AM 165.3 4/24/2008 11:35:58 AM 180.5 4/24/2008 11:36:00 AM 165.6 4/24/2008 11:36:00 AM 180.3 4/24/2008 11:36:02 AM 165.4 4/24/2008 11:36:02 AM 180.5 4/24/2008 11:36:04 AM 165.3 4/24/2008 11:36:04 AM 180.5


7.3 ANÁLISIS COSTO – BENEFICIO

El concepto de eficiencia es definido como la relación existente entre los productos

y los costos que la ejecución del proyecto implica. Este tipo de evaluación proporciona

medidas de síntesis en un proyecto jerárquicamente desarrollado y adopta las decisiones

pertinentes en base de criterios racionales.

Cuando los resultados y costos del proyecto pueden traducirse en unidades

monetarias, su evaluación se realiza utilizando la técnica del Análisis Costo-Beneficio, sin

embargo los impactos no siempre pueden ser valorizados en moneda, por lo que se

requiere de un Análisis Costo-Efectividad. La particularidad de esta técnica, radica en

comparar los costos con la potencialidad de alcanzar más eficaz y eficientemente los

objetivos no expresables en moneda o con la eficacia y eficiencia diferencial real que las

distintas formas de implementación han mostrado en el logro de sus objetivos.

En el caso concreto del diseño del Sistema de Control y Monitoreo del Circuito de

Reciclaje de Agua, se plantea un análisis que muestre su factibilidad de implementación,

expresado en moneda, pero además un estudio de impacto que brinda el mejoramiento en

la efectividad del proceso ya implantado, con muestras obtenidas en la simulación del

prototipo del sistema.

7.3.1 Análisis de prefactibilidad

Dentro del análisis de prefactibilidad se tomaron en cuenta los siguientes criterios:

• Requerimientos de un aumento en los resultados del proceso

• Requerimientos de una mejora en la calidad del proceso

• Necesidad de bajar los costos en el desarrollo del proceso

• Necesidad de protección ambiental

• Necesidad de brindar seguridad al personal

• Desarrollo de nuevas tecnologías


Basado en el estudio de campo del proceso, el alcance del proyecto es automatizar el

Circuito de Reciclaje de Agua, tomando en cuenta que ya se tiene implementado un

proceso y se desarrolla un diseño en base de los parámetros que ya están en

funcionamiento. La prefactibilidad comprende también el análisis de tiempo que tomará

efectuar el proyecto incluyendo su estudio y aprobación. Este análisis se desarrolló en un

Diagrama de Gantt y se encuentra en el Anexo 8.

Para obtener el Sistema de Control y Monitoreo se desarrolló un proceso de diseño,

simulación y análisis de resultados mediante el uso tecnológico de un Controlador Lógico

Programable de la marca TWIDO de la familia TELEMECANIQUE y el desarrollo de una

interfaz HMI-SCADA en el software de integración Intouch V 9.5 de la firma

Wonderware.

7.3.2 Análisis Costo-Efectividad

La automatización es viable, cuando al evaluar los beneficios económicos y sociales

de las mejoras que se podrían obtener al automatizar, estas son mayores a los costos de

operación y mantenimiento del sistema. La automatización de un proceso frente al control

manual del mismo, brinda ciertas ventajas y beneficios de orden económico, social y

tecnológico. El Sistema de Control y Monitoreo del Circuito de Reciclaje de Agua que se

presenta en este proyecto brinda los siguientes beneficios y ventajas:

• Se asegura mejoramiento en la calidad del trabajo del operador y en el desarrollo

del proceso, certificando la eficiencia del sistema implementado.

• Se obtiene una reducción de costos, puesto que se racionaliza el trabajo, se reduce

el tiempo y dinero dedicado al mantenimiento.

• Existe una reducción en los tiempos de procesamiento de información.

• Flexibilidad para adaptarse a nuevos procesos (sistema flexible y multiproceso).

• Se obtiene un conocimiento más detallado del proceso, mediante la recopilación de

información y datos estadísticos del proceso.

• Se obtiene un mejor conocimiento del funcionamiento y desarrollo de los equipos y

máquinas que intervienen en el proceso.


• Factibilidad técnica en procesos y en operación de equipos.

• Factibilidad para la implementación de funciones de análisis, optimización y

autodiagnóstico.

• Aumento en el rendimiento de los equipos y facilidad para incorporar nuevos

equipos y sistemas de información.

• Disminución de la contaminación y daño ambiental.

• Racionalización y uso eficiente de la energía; en particular del recurso hídrico que

se utiliza para el proceso.

• Aumento en la seguridad de las instalaciones y la protección a los trabajadores.

Dentro de este análisis, existen ciertos requisitos de importancia que debe cumplirse

al realizar un proyecto de automatización.

• Expansibilidad y escalabilidad: Es una característica del sistema que le permite

crecer para atender las ampliaciones futuras en el proceso, o para atender las

operaciones no tomadas en cuenta al inicio de la automatización. Se analiza bajo el

criterio de análisis costo-beneficio, típicamente suele dejarse una reserva en

capacidad instalada ociosa alrededor de 10% a 25%.

• Manutención: Se refiere a tener disponible por parte de la empresa, un grupo de

personal capacitado, que brinde el soporte técnico adecuado cuando se necesite de

manera rápida y confiable. Además implica que el proveedor cuente con repuestos

en caso sean necesarios.

• Sistema abierto: Los sistemas deben cumplir los estándares y especificaciones

internacionales. Esto garantiza la interconectividad y compatibilidad de los equipos

a través de interfaces y protocolos, también facilita la interoperabilidad de las

aplicaciones y el traslado de un lugar a otro.

7.3.3 Inversión Inicial

La inversión inicial presenta todos los costos que se involucran en el proceso de

adquisición de equipo e instrumentos necesarios para la automatización del sistema. Los

costos de la inversión inicial se indican en las Tablas 7.3 hasta 7.8.


Tabla 7.3. Inversión Inicial. Implementación de equipo en el proceso

Material Cantidad Valor Unitario

USD

Valor Total

USD

Proveedor

Implementación en el proceso

Fuente Eléctrica

conmutable de 120/240

VAC a 12/24/48 VDC

1

120.0

120.0

IANDCE

CONTROL

S.A.

Válvula Solenoide EBC

110VAC tubería 2-½”

2 80.05 160.1 INDUELEC

S.A.

Interruptor de nivel de

montaje horiz. WE

Anderson serie F7

7

45.00

315.0

IANDCE

CONTROL S.A

Sensor de flujo tubería

2-½ ” 5-30GPM con

transmisor de 0-10V/

4(0) – 20mA

NEWPORT Serie FP

1

498.5

498.5

NEWPORT

S.A

Bomba centrífuga

sumergible MaxiFalls

Standard 115VAC 1.5

HP 3000GPH

1

250.0

250.0

LA LLAVE

S.A

Válvula proporcional

solenoide ASCO tubería

2-1/2” serie 8202 con

unidad de control

1

480.0

480.0

LA LLAVE

S.A


Tabla 7.4. Inversión Inicial. Tablero de Control


USD

Valor Total

USD

Proveedor

Tablero de Control

Caja metálica 60x40x20

SQUARE D

1 80.00 80.00 ELSYSTEC

S.A

PLC TWIDO base 14IN

/ 10 OUT

TWDLCAA24DRF

1

268.8

268.8

ELSYSTEC

S.A

Expansión 4 IN, 2 OUT

Analógicas

TWDAMM6HT

1

283.5

283.5

ELSYSTEC

S.A

Cable de programación

TWDSPU1001V10M

1 193.48 193.48 ELSYSTEC

S.A

Riel DIN 35mm

Longitud 1 m

2 1.00 2.00 KRIPTON

Canaleta Ranurada 33

x33mm x 2 metros

1 3.95 3.95 JVCA

Borneras par riel DIN

AWG 16-20

20 0.88 17.60 JVCA

Borneras para tierra

AWG 16

2 2.42 4.84 JVCA

Porta Fusible y Fusible

10 x 38 mm 15A

1 1.65 1.65 JVCA

Porta Fusible y Fusible

10 x 38 mm 2A

7 1.65 4.95 JVCA

Interruptor

electromagnético Merlin

Gerin 2P – 6A

2

7.92

15.84

JVCA

Bornera V-0800 4mm 4 0.35 1.40 JVCA

Switch 22mm

LAY5-BC4 IP 65

4 2.24 8.96 JVCA


Tabla 7.5. Inversión Inicial. Tablero de Control


USD

Valor Total

USD

Proveedor

Tablero de Control

Pulsante color rojo

22mm NA IP 65

1 1.80 1.80 KRIPTON

Pulsante color verde

22mm NA IP 65

1 1.80 1.80 KRIPTON

Pulsante de emergencia

22mm tipo hongo con

enclavamiento

1

10.75

10.75

CENELSUR

Luz piloto distintos

colores 110-220V 22mm

CAMSCO

10

3.250

32.50

CENELSUR

Cinta helicoidal de

protección KS-8

1

2.70

2.70

JVCA

Correa plástica 10cm

100 unidades

1

2.00

2.00

JVCA

Codificador de alambre

No 0 -9

1

5.00

5.00

JVCA

Cable flexible TFF

No.18 AWG Rojo

50 m

0.144

7.20

JVCA

Cable flexible TFF

No.18 AWG Negro

50 m

0.144

7.20

JVCA

Cable flexible TFF

No.16 AWG Azul

50 m

0.160

8.00

JVCA


Tabla 7.6. Inversión Inicial. Desarrollo HMI y comunicación


USD

Valor Total

USD

Proveedor

Interfaz HMI-SCADA

Software de

programación TWIDO

1 Incluido con

cable de

programación

-

ELSYSTEC

S.A

Software de desarrollo

HMI-SCADA Intouch

V10.0 con licencia de

utilidades para 1000

tags, I/O Servers,

Factory Suit, Industrial

SQL Server.

1

6000.0

6000.0

Wonderware

para América

Latina

Comunicación

Kit STKWLINK8S: 2

radio modems

WLINK8S 868 Mhz,

10mW, 20 canales,

19200 bps. Cables de

interfase RS-232

instaladores

1

1019.72

1019.72

DmdOpen

Antena Yagui 868Mhz

de 8 elementos ,

accesorios antena y

latiguillo conector

2

59.00

118.00

DmdOpen


Tabla 7.7. Inversión Inicial. Implementación y capacitación


USD

Valor Total

USD

Proveedor

Implementación

Implementación y

puesta en marcha del

sistema

600.00

600.00

Personal de

la empresa

y/o

contratación

Capacitación

Capacitación de

personal y operadores

Recursos de la

empresa.

300.00 Personal de

la empresa

SUBTOTAL EN USD 10827.24

Tabla 7.8. Inversión Inicial. Total General

SUBTOTAL USD 10827.24

Impuesto (IVA) 12% 1299.27

Gastos generales e

imprevistos

10% sobre SUBTOTAL +

IVA

1212.65

TOTAL USD 13339.16

Gasto Inicial de la

Empresa USD

-1242.3

TOTAL GENERAL

USD

12096.86


Una vez obtenido el gasto de la inversión inicial del proyecto se analiza y justifica la

inversión en cada una de las perspectivas del beneficio. En el caso de este análisis se utiliza

el Método del Retorno de Inversión (Taza Interna de Retorno-TIR), en donde previamente

se obtiene un Análisis de los beneficios monetarios causados por la implementación del

proyecto.

Tabla 7.9. Análisis de Detalle en Beneficios

Análisis de Detalle en Beneficios

Detalle Cantidad en

1 año

Valor

Unitario

USD

Valor en

1 año

USD

Valor en

3 años

USD

Reducción en pérdidas del

material para el proceso

100 libras 10.00 1000.00 3000.00

Reducción en la reubicación

del personal operativo

4 500.00 2000.00 6000.00

Optimización y seguridad

del proceso mediante

automatización

- 1000.00 1000.00 3000.00

Optimización en la

protección ambiental

- 3000.00 3000.00 9000.00

Impacto tecnológico en el

desarrollo social

- 2000.00 2000.00 6000.00

TOTAL USD 6510.00 9000.00 27000.00

7.3.4 Método de Retorno de Inversión

Este método consiste en calcular el costo y beneficio anual, sabiendo el costo total

al iniciar el proyecto. El desarrollo de este análisis permite saber en que año se

recupera el costo total inicialmente evaluado en el proyecto, donde el año de recuperación

de la inversión es estimada, cuando la sumatoria de los beneficios netos es igual o

mayor al costo total del inicio del proyecto. Se considera el crecimiento anual de Costos y


Beneficios mediante un índice para su evaluación en el proyecto, tomando la tasa de

interés activa para abril del 2008 del 10.17% y la ecuación 4.1 para el Valor Actual Neto.

n(Valor)100

Valor ActualValor ⋅+=r Ecuación 4.1

Donde: Valor representa el beneficio o costo en los diferentes años

r representa el interés utilizado en la evaluación

n representa el año

7.3.4.1 Primer Escenario. Para el análisis del retorno de Inversión, se crea un primer

escenario donde se considera la inversión inicial obtenida en la Tabla 7.8, para el primer

año. En el segundo año se considera una acción de mantenimiento correctivo y reparación

de los instrumentos del proceso con una base de USD 1000. Bajo este Costo, el valor que

representará en el tercer año dicha acción de mantenimiento y reparación está calculado

con la Ecuación 4.1 que obtiene el valor actual neto en esa consideración.

El valor del Beneficio para el primer año generado en una base de USD 9000, se obtiene

del Análisis de Detalle en Beneficios considerando el valor adquirido en el año 1, tomado

de la Tabla 7.9. Para el segundo y tercer año de beneficios se considera el valor actual neto

con los parámetros planteados. Los valores obtenidos se representan en la Tabla 7.10

10.1305en USD año 3 el para Costoen ActualValor

3(1000)100

17.101000 en USD año 3 el para Costoen ActualValor

n(Valor)100

Valor ActualValor

=

⋅+=

⋅+=

o

o

r


90.11745en USD año 3 el para Beneficioen ActualValor

3(9000)100



2(9000)100


=

⋅+=

=

⋅+=

o

o

o

o

Tabla 7.10. Análisis de Retorno de Inversión: Primer Escenario

Retorno de Inversión: Primer Escenario

Año Costo USD

[Ci]

Beneficio USD

[Bi]

Beneficio Neto USD

[Bi - Ci]

1 12096.86 9000.00 -3096.86

2 1000.00 10830.60 9830.60

3 1305.10 11745.90 10440.80

Sumatoria del Beneficio Neto USD

[∑(Bi-Ci)]

17174.54

7.3.4.2 Segundo Escenario. Al igual que en el caso anterior, se crea un segundo escenario

donde se considera la misma inversión inicial obtenida en la Tabla 7.8, para el primer año.

En el segundo año se considera una acción de mantenimiento correctivo, reparación y un

reemplazo en los instrumentos del proceso con una base de USD 1500. Para el análisis bajo

este Costo, el valor que representará en el tercer año dicha acción de mantenimiento,

reparación y reemplazo está calculado con la Ecuación 4.1 que obtiene el valor actual neto

con los parámetros planteados. El valor del Beneficio para el primer año generado en una

base de USD 9000, se obtiene del Análisis de Detalle en Beneficios considerando el valor

adquirido en el año 1, tomado de la Tabla 7.9. Para el segundo y tercer año de beneficios se

considera el valor actual neto con los parámetros planteados. Los valores obtenidos se

representan en la Tabla 7.11.



3(1500)100


n(Valor)100

Valor ActualValor

=

⋅+=

⋅+=

o

o

r


3(9000)100



2(9000)100


=

⋅+=

=

⋅+=

o

o

o

o

Tabla 7.11. Análisis de Retorno de Inversión: Segundo Escenario

Retorno de Inversión: Segundo Escenario

Año Costo USD

[Ci]

Beneficio USD

[Bi]

Beneficio Neto USD

[Bi - Ci]

1 12096.86 9000.00 -3096.86

2 1500.00 10830.60 9330.60

3 1957.65 11745.90 9788.25


[∑(Bi-Ci)]

16021.99

7.3.4.3 Tercer Escenario. Por último se crea un tercer escenario donde se considera la

misma inversión inicial obtenida en la Tabla 7.8, para el primer año. En el segundo año se

toma en cuenta una acción de mantenimiento correctivo, reparación y reemplazos de

distintos instrumentos del proceso con una base de USD 2000, consideración que es

extrema en comparación con la inversión inicial, pero por objeto de análisis ha sido tomada

en cuenta. El valor que representará en el tercer año esta acción de mantenimiento,


reparación y reemplazos de instrumentos está calculado con la Ecuación 4.1 que obtiene el

valor actual neto en los parámetros planteados. El valor del Beneficio para el primer año

generado en una base de USD 9000, se obtiene del Análisis de Detalle en Beneficios

considerando el valor adquirido en el año 1, tomado de la Tabla 7.9. Para el segundo y

tercer año de beneficios se considera el valor actual neto con los parámetros planteados.

Los valores obtenidos se representan en la Tabla 7.12.


3(2000)100


n(Valor)100

Valor ActualValor

=

⋅+=

⋅+=

o

o

r


3(9000)100



2(9000)100


=

⋅+=

=

⋅+=

o

o

o

o

Tabla 7.12. Análisis de Retorno de Inversión: Tercer Escenario

Retorno de Inversión: Tercer Escenario

Año Costo USD

[Ci]

Beneficio USD

[Bi]

Beneficio Neto USD

[Bi - Ci]

1 12096.86 9000.00 -3096.86

2 2000.00 10830.60 8830.60

3 2610.20 11745.90 9135.70


[∑(Bi-Ci)]

14869.44

CAPITULO 8 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 220

CAPÍTULO 8

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

8.1 CONCLUSIONES

Los actuales procesos de intervención minera que están incursionando en el país,

desarrollan y buscan metodologías de prospección, exploración y producción enfocadas en

el manejo sustentable de los recursos de la zona, disminuyendo impactos ambientales y

sociales relacionados principalmente con el deterioro de los elementos físico - bióticos del

lugar y por otra parte, con los desequilibrios sociales, culturales y organizacionales de las

comunidades en el área de influencia del plan minero.

El desarrollo de este proyecto se enfoca en la utilización controlada del recurso

hídrico para el proceso de perforación en la zona de exploración. El alcance de este, se ha

logrado con un diseño para el Sistema de Control y Monitoreo de Nivel y Flujo de líquido

utilizado en el Circuito de Reciclaje de Agua para el proceso de perforación, partiendo del

sistema ya implantado que se controla de forma manual por el personal de operación. Para

esto, se analizó las variables involucradas en el sistema y cada componente que interviene

en el proceso de perforación.

Con el propósito de probar el diseño obtenido y lograr una simulación del proceso, se

ha desarrollado una maqueta que cumple con los requerimientos y parámetros planteados

para conseguir el sistema de control de nivel y flujo.

Una vez implantada la maqueta de simulación del circuito, se procedió al análisis de

la instrumentación más idónea que se adapta a los parámetros y estrategias de control. Los

dispositivos utilizados fueron dimensionados para el proceso de simulación; sin embargo,


la implementación del panel de control tiene el propósito de ser utilizado en el proceso

real.

Se obtuvo un sistema de control de nivel que minimiza las fallas operativas, lo que

en el proceso significa liberar al personal de tareas repetitivas y reducir los inconvenientes

causados por fallas al no obtener un procedimiento sistemático. El sistema de control de

nivel responde de manera rápida y eficiente garantizando que el nivel de líquido no

sobrepase la capacidad de las tinas del circuito, provea de manera permanente líquido para

el proceso, resguarde el funcionamiento de los actuadores y no trabaje cuando sea

innecesario, del tal forma que se logre extender o conservar la vida útil de los elementos

finales de control.

En lo que concierne al control de flujo se obtuvo un sistema que incrementa los

niveles de calidad del proceso, utilizando de forma mesurada el líquido que ingresa hacia

la perforación mediante la inclusión de un controlador tipo PI; con un diseño flexible en

funcionamiento que se logra por la opción de modificar los parámetros del controlador.

El autómata utilizado para el proyecto es el Twido de base compacta

TWDLCAA24DRF con el módulo de E/S análogas TWDAMM6HT, que cumple con el

dimensionamiento para el Sistema de Control y Monitoreo. Este PLC verifica los factores

cuantitativos para su selección, que incluyen el número de entradas/salidas, capacidad de

memoria, posibilidad de crecimiento del sistema y alimentación; y en los factores

cualitativos, que incluyen las condiciones físicas y ambientales de trabajo, opciones

avanzadas de control, compatibilidad, comunicaciones y servicios adicionales.

La HMI obtenida en el diseño esta orientada al control y adquisición de datos en

tiempo real, mediante la utilización del software de integración Intouch y el software de

administración de base de datos SQL Server. El diseño planteado es de arquitectura

abierta y flexible con la posibilidad de expansiones o modificaciones, adquiridas por las

prestaciones del autómata Twido. El protocolo de comunicación utilizado para la conexión

HMI-PLC es el MODBUS RTU en modo Slave y el driver utilizado para su conexión con

Intouch es el de Wonderware I/O Server Modicon Modbus que permiten la comunicación


serial entre el autómata y la PC, bajo el cable de interface que transforma el estándar RS-

485 del puerto del Twido al estándar RS-232 para el puerto de la PC. Las alarmas y

eventos generados en el sistema son conectados con una base de datos y sus reportes se

obtienen mediante Microsoft EXCEL.

Por último se realiza un análisis de costo-beneficio del proyecto, donde se obtiene la

prefactibilidad de implementarlo en el proceso real, ensayado desde el método de Retorno

de Inversión contando con tres distintos escenarios que permiten visualizar los parámetros

para la inversión del Sistema planteado.

8.2 RECOMENDACIONES

Al realizar el análisis de instrumentación del sistema, es importante que los

dispositivos que se adquieran, estén dimensionados de acuerdo a las características del

proceso pero también tomando en cuenta los parámetros dados por el fabricante para su

funcionamiento.

Considerando el ambiente de trabajo al que está involucrado el Sistema; temperatura,

humedad, hostilidad del ambiente, corrosión, polvo, ruido y áreas peligrosas por el manejo

de sustancias inflamables y explosivas, se debe obtener dispositivos que cumplan con las

certificaciones para el funcionamiento bajo estos ambientes y la correcta clasificación para

las áreas peligrosas. Por otro lado, para la adquisición de los dispositivos de control y

monitoreo es importante obtener proveedores garantizados, de preferencia en el área local,

que suministren un stock dentro del país en caso de reemplazo o mantenimiento de los

equipos, con recursos de capacitación e información permanente del material entregado.

En el caso de utilizar acondicionamiento de las señales para el Sistema, se

recomienda manipular dispositivos que funcionen correctamente bajo los ambientes del

proceso. Para evitar dificultades en el tratamiento de estas señales es conveniente utilizar

equipos de medición y control que se dimensionen de acuerdo a las capacidades del

controlador utilizado para el desarrollo del sistema. Los sensores que se utilicen en la

instrumentación deben cumplir en lo posible la linealidad en su respuesta, de esta forma se

evita el acondicionamiento de la señal transmitida y ajuste en la programación. El panel de


control implementado debe contar con las respectivas protecciones para sobretensión y

sobrecorriente en los elementos primarios de medición, elementos finales de control y

preactuadores.

Se recomienda que los diseños del sistema de control y monitoreo desarrollados

estén basados en los criterios de estabilidad, precisión, velocidad de respuesta y

sensibilidad para obtener procesos confiables y eficientes que cumplan con los

requerimientos técnicos para su funcionamiento.

Para establecer la comunicación mediante el protocolo MODBUS del I/O Server de

Wonderware para Modicon se recomienda utilizar la convención estandarizada para el

direccionamiento y lectura de los nombres de los elementos (Item Name) para el diálogo

con Modbus, considerando que el direccionamiento utilizado en el software de

programación TwidoSuite no es compatible para la lectura/escritura en el PLC desde la

HMI.

Las direcciones de las entradas/salidas analógicas y discretas del controlador deben

ser transferidas a objetos de bit y palabra para su conexión con Intouch y direccionadas de

acuerdo a la convención utilizada para la comunicación mediante Modbus.

Para la adquisición de Intouch y sus utilidades se recomienda adquirir una licencia

con un mínimo de 500 tags para el desarrollo de la aplicación, tomando en cuenta las

posibles expansiones y más de un Sistema de Control y Monitoreo en el proceso.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 224

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1. OGATA, Katsuhiko, Ingeniería de Control Moderna, Tercera Edición, Editorial

Prentice Hall Hispanoamericano, México 1998, pp 476-520.

2. SMITH, Carlos; CORRIPIO, Armando, Control Automático de Procesos,

Segunda Edición, Editorial Limusa, México 1997, pp 107-145.

3. FRANKLIN, G; POWELL; EMANI, Naeini, Control de Sistemas Dinámicos con

Retroalimentación, Segunda Edición, Editorial Addison-Wesley Iberoamericana,

México 1991, pp 210-230.

4. JOHNSON, Curtis, Process and Control InstrumentationTechnology, Sexta

Edición, Editorial Prentice Hall, USA 1993, pp 430-480.

5. BALCELLS, Joseph; ROMERAL, José, Autómatas Programables, Segunda

Edición, Serie Mundo Electrónico, Editorial AlfaOmega, México 1998, pp180-215.

6. PALLAS, Ramón; Sensores y Acondicionadores de señal, Tercera Edición,

Editorial AlfaOmega, España 2001, pp350-370.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS 225

7. OCKERT, Kart; Practical Wastewater Pretreatment Strategies for Small

Breweries, Tercera Edición, Publication no.T-2002-0.307-07 en la MBAA, USA

2006, pp 80-120.

8. SANS, Ramón; RIVAS, Joan, Ingeniería Ambiental: Contaminación y

Tratamientos, Primera Edición, Editorial Marcobo, España 1989, pp 110-160.

9. Informe de Auditoria Ambiental al proyecto Quimsacocha, AMBIGEST CIA.

LTDA., Ecuador 2007.

10. www.schneiderelectric.com/support/downloads, Twido User Reference Manual,

Hardware Portion, TWD USE 10AE Eng1.0

11. www.schneiderelectric.com/support/downloads, Twido Software Reference

Manual, TWD USE 10AE EngVersion 4.0

12. www.schneiderelectric.com/support/downloads, Twido programmable controllers,

Software Reference Guide, TWD USE 10AE Eng Version 3.2

13. www.schneiderelectric.com/support/downloads, Twido S1061 Version A, Modbus

& macro.

http://www.schneiderelectric.com/




ANEXO 1

ADVERTENCIAS Y RECOMENDACIONES

PARA EL USO DEL AUTÓMATA TWIDO

El controlador lógico programable TWIDO TWDLCAA24DRF y sus módulos de

expansión están diseñados para trabajar en zonas especificadas dentro de la Clase 1,

División 2, Grupos A, B, C, D. La sustitución de los componentes del equipo puede causar

que su desempeño dentro de la Clase 1, División 2 falle. El manipular este equipo y no

considerar la clasificación del área peligrosa a la que pertenece puede causar severos daños

en el equipo, perjuicios personales o incluso la muerte. Las advertencias y precauciones del

uso de este equipo están especificadas en la literatura posterior.

El uso de este equipo eléctrico debe ser llevado a cabo solamente por personal

calificado en lo correspondiente al desarrollo de la aplicación, implementación y

mantenimiento. A continuación se detallan las precauciones y advertencias necesarias para

el manejo del equipo.

Peligro de shock eléctrico, quemadura o explosión. Apagar toda la alimentación antes

de iniciar la instalación, remoción, cableado, mantenimiento o inspección del sistema

de relees inteligentes.

El fallo de estas instrucciones puede causar la muerte o serios daños personales.

Recomendaciones para el uso del equipo:

• Apagar la alimentación antes de instalar, remover, cablear o realizar

mantenimiento.

• Este producto no es recomendado para funciones críticas de la máquina. Si

existe peligro para el personal o equipo, usar apropiados interruptores de

seguridad.

• No desarmar, reparar o modificar los módulos.

• Este equipo es diseñado para uso en un lugar cerrado.

• Instalar los módulos en las condiciones de ambiente de operación descritas.

• Usar la fuente de alimentación de los sensores únicamente para alimentar a

los que están conectados al módulo.

• Para la línea de alimentación y circuitos de salida, usar fusibles de estándar

tipo T IEC 60127. Los fusibles deben cumplir con los requerimientos de

voltaje y corriente del circuito.

Recomendado: series 218 Littefuse, 5x20mm, fusibles de tiempo de retardo.

El fallo de estas instrucciones puede causar la muerte o serios daños personales.

Reglas y Recomendaciones para el cableado

• Cada terminal acepta cables desde 18 AWG(0.82mm2) hasta 28 AWG(0.08mm2).

• La protección de las salidas del módulo son responsabilidad del usuario. Se debe

seleccionar un fusible adecuado para la carga, respecto a los códigos eléctricos.

• Dependiendo de la carga, se debe usar un circuito de protección para las salidas a

relee del módulo.

• El cable de la fuente de alimentación debe estar entre 16 AWG (1.30mm2) y 22

AWG (0.33mm2). Usar la menor longitud de cable posible.

• El cable de puesta a tierra debe ser 16 AWG (1.30mm2).

• Los cables de la fuente de poder enrutados al interior de un panel deben permanecer

separados de los cables de alimentación, cableado de E/S y cableado de

comunicación. Separar los ductos para los distintos cableados.

• Tener cuidado en el cableado de salida de los módulos que están diseñados para

trabajar ya sea en alimentación positiva o negativa. El cableado incorrecto puede

causar serios daños al equipo.

• Asegurarse de que las condiciones de operación y ambientales están dentro de los

valores especificados.

• Utilizar los tamaños adecuados de cable según los requerimientos de voltaje y

corriente.

Recomendación: El rango de operación de las entradas del controlador según la normativa

IEC 61131-2 se muestra en la siguiente figura.

Rango de operación de entradas en el controlador TWDLCAA24DRF

Recomendación: Existe un retardo en las salidas del controlador que se debe tomar en

cuenta para la instalación del sistema.

Retardos del controlador

Dimensiones

La siguiente figura indica las dimensiones del controlador TWDLCAA24DRF y del

módulo de E/S analógicas TWDAMM6HT en vista frontal y lateral de la base.

Controlador TWDLCAA24DRF

Módulo de E/S analógicas TWDAMM6HT

Montaje

Todas las bases y módulos del controlador TWIDO son montables sobre el riel DIN

de 35mm. Para ajustar el módulo sobre el riel se debe tomar desde el lado de la abrazadera

y presionar hacia abajo con la ayuda de un destornillador.

Montaje en riel DIN de 35 mm

Las bases compactas deben colocarse única y exclusivamente como se muestra en la

figura "Montaje correcto". Cuando la temperatura ambiente es de 35 °C o inferior, la base

compacta también se puede montar de forma vertical sobre un plano horizontal, tal y como

se muestra en la figura. Cuando la temperatura ambiente es de 40 °C o inferior, la base

compacta también se puede montar de lado sobre un plano vertical como se muestra en la

figura. El controlador no se puede colocar horizontalmente hacia abajo, su mal montaje

puede causar daños personales y en funcionamiento del equipo.

Montaje correcto

Montaje a 35˚C o menos Montaje a 40˚C o menos Montaje incorrecto

Procedimiento de ensamblaje de un módulo de ampliación de E/S a una base

El siguiente procedimiento muestra cómo ensamblar una base y un módulo de

ampliación de E/S.

1. Retirar de la base la cubierta del conector de ampliación.

2. Asegurarse de que el botón de retención negro del módulo de E/S se encuentra en

la posición superior.

3. Alinear el conector del lateral izquierdo del módulo de ampliación de E/S con el

conector del lateral derecho de la base.

4. Presionar el módulo de ampliación de E/S contra la base hasta que se oiga un

"clic".

5. Empujar hacia abajo el botón de retención negro situado en la parte superior del

módulo de ampliación de E/S para fijar el módulo a la base.

Instalación en panel de control

La instalación en el panel de control se la realiza considerando los siguientes valores

de distancia mínimos entre las paredes del panel, con el objeto de mantener la circulación

natural del aire sobre el equipo. Se debe tener en cuenta las distancias mínimas indicadas

en las siguientes figuras.

Instalación del equipo en panel de control

Diagnóstico del controlador TWDLCAA24DRF mediante los indicadores luminosos

del panel frontal

Estado LED Autómata base E/S remotas

Autómata apagado Igual que autómata

base

N/A Igual que autómata

base

PWR

verde

Autómata encendido Igual que autómata

base

Aplicación no ejecutada No conectado o de

forma incorrecta

Autómata en modo de detención o fallo

de ejecución(HALT)

Igual que autómata

base

RUN

verde

Autómata en forma de ejecución Igual que autómata

base

Correcto Igual que autómata

base

Aplicación no ejecutable o fallo de

ejecución(HALT)

N/A

ERR

rojo

Fallos internos del autómata

(configuración y/o programación)

Igual que autómata

base

Controlado por el usuario o la aplicación

mediante el bit de sistema %S69

Igual que autómata

base

N/A N/A

STAT verde

Controlado por el usuario o la aplicación

mediante el bit de sistema %S69

Igual que autómata

base

ANEXO 2

CERTIFICACIONES DEL AUTÓMATA

TWDLCAA24DRF Y MÓDULOS DE EXTENSIÓN

En algunos países, las certificaciones del gran número de componentes eléctricos y

electrónicos están estipuladas bajo la ley, es por esta razón que se extiende un certificado

de conformidad estándar a través de un organismo oficial. Para el caso de productos usados

en aplicaciones marinas, las certificaciones requieren aún de mayores prioridades.

Sigla Certificación País

CSA Canadian Standards Association Canadá

C-Tick Australian Communication Authority Australia

GOST Gost Standard Scientific Research Institute C.I.S., Russia

UL Underwriters Laboratories USA

Sigla Autoridad de Clasificación País

IACS International Association of Classification Societies Internacional

ABS American Bureau of Shipping USA

BV Bureau Veritas Francia

DNV Det Norske Veritas Noruega

GL Germanischer Lloyd Alemania

LR Lloyd’s Register Reino Unido

RINA Registro Italiano Navale Italia

RMRS Russian Maritime Register of Shipping C.I.S.

Organismos de certificaciones para componentes eléctricos

La siguiente tabla muestra las certificaciones obtenidas del autómata hasta diciembre

del 2007.

Certificaciones

UL

CSA

ACA

GOST

Hazardous

Locations,

Cl1,Div 2(1)

ATEX

País USA Canadá Australia Rusia,

CIS

USA,

Canadá

Europa

TWIDO

Autoridades

marinas de

Clasificación

ABS

BV

DNV

GL

LR

RINA

País USA Francia Noruega Alemania UK Italia

TWIDO (1)Clasificación de áreas peligrosas: UL 1604, CSA 22.2 no. 213 o FM 3611.Estos productos están

certificados solamente para uso en áreas peligrosas de Clase 1, División 2, grupos A, B, C y D

ANEXO 3

TABLA DE INDICADORES PARA

EL ENLACE HMI - PLC

Indicadores para enlace HMI – PLC

Tagname Tipo Dirección del

autómata

CRA_AUTOL Discreto %M8

CRA_MANAUTO Discreto %M14

CRA_B1 Discreto %M15



CRA_START Discreto %M18

CRA_STOP Discreto %M19

CRA_FLUJO Discreto %M20

CRA_STOPE Discreto %M21

CRA_T1HL Discreto %M22

CRA_T1LL Discreto %M23





CRA_L1 Discreto %M36



CRA_SP Análogo %MW1

CRA_KP Análogo %MW2

CRA_TI Análogo %MW3

CRA_TD Análogo %MW4

CRA_PV Análogo %MW7

CRA_MV Análogo %MW8

ANEXO 4

TABLA DE DIRECCIONES USADAS EN LA

LÓGICA DE PROGRAMACIÓN

Direcciones usadas en la lógica de programación para objetos

de bit, palabra, entradas/salidas digitales y analógicas

Dirección del

objeto

Tipo de

objeto

Descripción

%M0 Bit Contacto auxiliar bobina M0





%M5 Bit Bobina auxiliar para encender bomba 1







%M12 Bit Bobina auxiliar para control del bloque de

operación PI

%M13 Bit Bit asociado a la acción Directa/Inversa

del controlador PI

%M14 Bit Contacto para seleccionar Manual/Auto

(conexión desde Intouch)

%M15 Bit Contacto para encender bomba 1






%M18 Bit Contacto para iniciar Operación

Automática de Control Nivel (Conexión

desde Intouch)

Dirección del

objeto

Tipo de

objeto

Descripción

%M19 Bit Contacto para detener Operación

Automática de Control Nivel


%M20 Bit Contacto para encender el Control de Flujo


%M21 Bit Contacto para parada de emergencia


%M22 Bit Bobina para nivel alto de T1 (Conexión a

Intouch)

%M23 Bit Bobina para nivel bajo de T1 (Conexión a

Intouch)


Intouch)


Intouch)


Intouch)


Intouch)

%M28 Bit Contacto auxiliar para Manual/Automático

(Conexión a Intouch)

%M29 Bit Contacto auxiliar para switch bomba 1






%M32 Bit Contacto auxiliar para encender

automático del control de nivel (Conexión

a Intouch)

Dirección del

objeto

Tipo de

objeto

Descripción

%M33 Bit Contacto auxiliar para detener automático

del control de nivel (Conexión a Intouch)

%M34 Bit Contacto auxiliar para switch de control de

flujo (Conexión a Intouch)

%M35 Bit Contacto auxiliar para parada de

emergencia

%M36 Bit Bobina para operación de bomba 1






%MW0 Palabra Palabra asociada de Control para PID

Ajustado a valor = 1

%MW1 Palabra Palabra para consigna

%MW2 Palabra Valor de constante proporcional (Kp)

%MW3 Palabra Valor de Tiempo de Reajuste (Ti)

%MW4 Palabra Valor de Tiempo de Derivación(Td)

%MW5 Palabra Límite de la medida

%MW6 Palabra Consigna de Salida (para ajuste AT)

%MW7 Palabra Valor de salida analógica

%MW8 Palabra Valor de entrada analógica

%I0.0 Entrada Selección Manual/Auto desde panel

%I0.1 Entrada Arranque/Parada bomba1 desde panel



%I0.4 Entrada Iniciar Control de Nivel Auto desde panel

%I0.5 Entrada Detener Control de Nivel Auto desde panel

%I0.6 Entrada Iniciar/Parar Control de Flujo desde panel

%I0.7 Entrada Parada de emergencia desde panel

%I0.8 Entrada Nivel Alto T1

Dirección del

objeto

Tipo de

objeto

Descripción

%I0.9 Entrada Nivel Bajo T1





%IW1.0 Entrada Entrada analógica para sensor de flujo

%Q0.0 Salida Enciende Bomba1

%Q0.1 Salida Enciende Bomba 2

%Q0.2 Salida Enciende Bomba 3

%Q0.3 Salida Enciende luz piloto de Control de Flujo

%Q0.4 Salida Enciende luz piloto para nivel alto T1

%Q0.5 Salida Enciende luz piloto para nivel bajo T1





%QW1.0 Salida Salida analógica para preactuador de la

bomba de control de flujo

ANEXO 5

DIAGRAMAS DE INSTRUMENTACIÓN Y PROCESO

ANEXO 6

PLANO DE LA MAQUETA PARA LA SIMULACIÓN

DEL CIRCUITO DE RECICLAJE DE AGUA

ANEXO 7

DIAGRAMA ELÉCTRCO DEL PANEL DE CONTROL

ANEXO 8

DIAGRAMA DE GANTT PARA EL ANÁLISIS DE TIEMPO

EN EL PROCESO DE PREFACTIBILIDAD

ÍNDICE DE FIGURAS

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN

Figura 1.1. Mapa Geográfico de la Zona de Exploración……………………………. 5

CAPÍTULO 2. PROCESO DE EXPLORACIÓN MINERA

Figura 2.1. Equipo utilizado para la perforación……………………………………... 16

Figura 2.2. Brocas utilizadas para la perforación…………………………………….. 18

Figura 2.3. Velocidad de penetración Vs. Desgaste de la herramienta………………. 24

Figura 2.4. Potencia de rotación en función del diámetro de perforación……………. 26

Figura 2.5. Energía consumida por el sistema de empuje……………………………. 26

Figura 2.6. Potencia de empuje en función del diámetro de perforación…………….. 27

Figura 2.7. Circuito de reciclaje de agua para la perforación………………………… 30

CAPÍTULO 3. INSTRUMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL

Figura 3.1. Sensor basado en la caída de presión. Placa orificio……………………... 42

Figura 3.2. Sensor basado en la caída de presión. Tubo Venturi……………………... 43

Figura 3.3. Sensor basado en la caída de presión. Tubo Pitot………………………… 44

Figura 3.4. Sensor basado en la velocidad de flujo. Turbina…………………………. 45

Figura 3.5. Sensor basado en la velocidad de flujo. Medidor electromagnético……... 47

Figura 3.6. Sensor basado en la velocidad de flujo. Medidor Vortex………………... 48

Figura 3.7. Sensor basado en la velocidad de flujo. Medidor ultrasónico…………… 49

Figura 3.8. Principio de funcionamiento del medidor térmico………………………. 50

Figura 3.9. Instrumentos de medición directa de nivel. Flotador……………………. 58

Figura 3.10. Instrumentos de medición basados en la presión hidrostática………….. 60

Figura 3.11. Instrumento Medidor Tipo Burbujeo……………..……………………. 62

Figura 3.12. Instrumentos de medición basados en el desplazamiento del fluido…… 64

Figura 3.13. Instrumentos basados en las características eléctricas………………… 65

Figura 3.14. Instrumento Medidor de capacidad……………………………………. 66

Figura 3.15. Instrumento basado en sistema ultrasónico……………………………. 68

Figura 3.16. Instrumento basado en rayos gamma………………………………….. 69

Figura 3.17. Partes de una válvula de control………………………………………. 74

Figura 3.18. Representación en diagrama de bloques de una válvula de control…... 74

Figura 3.19. Válvula tipo globo…………………………………………………….. 76

Figura 3.20. Válvula tipo mariposa………………………………………………… 76

Figura 3.21. Válvula tipo esférica………………………………………………….. 77

Figura 3.22. Válvula tipo tapón……………………………………………………. 77

Figura 3.23. Válvula tipo Sauders…………………………………………………. 78

Figura 3.24. Comportamiento de las características inherentes de flujo…………... 81

Figura 3.25. Característica de Flujo Instalada……………………………………... 81

Figura 3.26. Pérdida de carga en la válvula Vs. Caudal…………………………… 82

Figura 3.27. Bombas de impulsor abierto, semiabierto y cerrado………………… 88

Figura 3.28. Empuje axial en impulsor abierto con álabes posteriores…………… 89

Figura 3.29. a) Impulsor con álabes radiales. b) Empuje axial de impulsor cerrado 91

CAPÍTULO 4. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL

Figura 4.1. Variables en el control automático de procesos……………………… 100

Figura 4.2. Sistema no-interactivo del circuito de agua para la perforación…….. 102

Figura 4.3. Modelamiento matemático: Diagrama de bloques………………….. 107

Figura 4.4. Sistema de control en lazo cerrado………………………………….. 111

Figura 4.5. Funcionamiento del Control On/Off………………………………... 112

Figura 4.6. Diagrama de bloques del controlador On/Off……………………… 113

Figura 4.7. Diagrama de bloques del controlador On/Off con histéresis………. 113

Figura 4.8. Funcionamiento del Control Proporcional…………………………. 114

Figura 4.9. Funcionamiento del Integral……………………………………….. 115

Figura 4.10. Funcionamiento del Control derivativo…………………………... 116

Figura 4.11. Arquitectura del sistema de control………………………………. 120

Figura 4.12. Parámetros de la respuesta al escalón de una planta…………….. 124

Figura 4.13. Comportamiento de la planta mediante método Ziegler y Nichols 125

CAPÍTULO 5. EL CONTROLADOR PROGRAMABLE

Figura 5.1. Reticulado para la programación Ladder…………………………… 135

Figura 5.2. Comunicación autómata/PC mediante cable de transmisión serial… 138

Figura 5.3. Conexiones de cable nominal para EIA RS232 y EIA RS485……… 141

Figura 5.4. Software TwidoSuite para la programación del Controlador Twido 146

Figura 5.5. Configuración de los dispositivos mediante TwidoSuite…………… 147

Figura 5.6. Configuración de las E/S, direcciones y datos……………………… 148

Figura 5.7. Ventana de programación y edición de parámetros de la aplicación 149

Figura 5.8. Ventana para establecer la conexión con el autómata Twido………. 150

Figura 5.9. Driver de Schneider para comunicación MODBUS………………... 150

Figura 5.10. Sección 1. Control de Nivel: Modo Manual………………………. 152

Figura 5.11. Sección 2. Control de Nivel: Modo Automático………………….. 154

Figura 5.12. Configuración del bloque de operación avanzado PID…………… 155

Figura 5.13. Sección 3. Control de Flujo: Controlador tipo PI………………… 156

Figura 5.14. Sección 4. Salidas del Controlador……………………………….. 158

Figura 5.15. Sección 5. Conexiones con Intouch: Entradas……………………. 160

Figura 5.16. Sección 6. Conexiones con Intouch: Salidas……………………… 161

CAPÍTULO 6. DESARROLLO DE LA INTERFACE HMI

Figura 6.1. Archivo de información en la ventana de inicio del HMI………….. 168

Figura 6.2. Ventana del temario de ayudas del Sistema de Control y Monitoreo 169

Figura 6.3. Ventana de Inicio del Sistema de Control y Monitoreo……………. 169

Figura 6.4. Ventana de Ingreso de Clave de Acceso al Sistema……………….. 170

Figura 6.5. Ventana Principal del Sistema de Control y Monitoreo…………… 171

Figura 6.6. Ventana de Control de Nivel: Operación manual…………………. 172

Figura 6.7. Ventana de Control de Nivel: Operación Automática…………….. 173

Figura 6.8. Ventana de Control de Flujo del Sistema…………………………. 174

Figura 6.9. Ventana de la Interface de Ingeniería para el Controlador de Flujo 175

Figura 6.10. Ventana del Histórico de Flujo obtenido de la perforación……… 176

Figura 6.11. Ventana de alarmas y eventos del Sistema de Control y Monitoreo 177

Figura 6.12. Consola SQL Server Managment Studio………………………… 178

Figura 6.13. Microsoft Excel para importar datos y generar reportes…………. 178

Figura 6.14. Software para el desarrollo de las ayudas del Sistema…………… 180

Figura 6.15. Bind List para la conexión de tagnames con la base de datos…… 182

Figura 6.16. Configuración de orígenes de datos para la conexión con SQL… 182

Figura 6.17. Definición del Tópico para comunicación MODBUS…………… 183

Figura 6.18. Configuración del Nombre de Acceso para Intouch……………... 184

Figura 6.19. Proceso de funcionamiento de SQL Access Manager…………… 196

CAPÍTULO 7. SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Figura 7.1. a) Sensor de Flujo del Sistema. b) Bomba para el control de flujo 200

Figura 7.2. a) Interruptores de nivel y bombas para el control de nivel

b) Tina de reciclaje del agua utilizada para la perforación……… 201

Figura 7.3. a) Vista frontal del panel de control

b) Cableado y conexiones en Interior del panel…………………. 202

Figura 7.4. Panel de Control para el Circuito de Reciclaje de Agua………… 203

ÍNDICE DE TABLAS

CAPÍTULO 2. PROCESO DE EXPLORACIÓN MINERA

Tabla 2.1. Capacidades del equipo de perforación………………………………………..13

Tabla 2.2. Malacate wireline del equipo de perforación………………………………….14

Tabla 2.3. Módulo hidráulico del equipo de perforación………………………………....14

Tabla 2.4. Mástil y base de posicionamiento del equipo de perforación…………………14

Tabla 2.5. Cabeza y mandriles del equipo de perforación………………………………..15

Tabla 2.6. Peso del equipo de perforación………………………………………………..15

Tabla 2.7. Clasificación de las brocas de perforación……………………………………17

Tabla 2.8. Clasificación de la dureza de las rocas………………………………………..19

Tabla 2.9. Velocidades de rotación según la dureza de las rocas………………………..19

Tabla 2.10. Fuerza de empuje según tipo de roca……………………………………….21

Tabla 2.11. Velocidad ascensional del fluido según el tipo de roca……………………...22

Tabla 2.12. Área de sección anular para la circulación del fluido………………………..23

CAPÍTULO 3. INSTRUMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL

Tabla 3.1. Estrategias y parámetros para el Control Automático del Sistema…………...35

Tabla 3.2. Comparación de los parámetros y características de los sensores de flujo…...54

Tabla 3.3. Comparación de los parámetros y características de los sensores de nivel…..72

Tabla 3.4. Características inherentes del flujo…………………………………………...80

Tabla 3.5. Velocidades de rotación del campo giratorio………………………………...86

CAPÍTULO 5. EL CONTROLADOR PROGRAMABLE

Tabla 5.1. Control, envío y recepción para comunicaciones ASCII…………………...139

Tabla 5.2. Configuración del puerto de Twido para comunicación Modbus…………..142

Tabla 5.3. Control, envío y recepción para comunicaciones MODBUS……………....143

CAPÍTULO 6. DESARROLLO DE LA INTERFACE HMI

Tabla 6.1. Parámetros para la conexión de SQL……………………………………...181

Tabla 6.2. Tagnames para el desarrollo de la HMI…………………………………...185

Tabla 6.3. Clasificación de los tagnames……………………………………………..189

Tabla 6.4. Subclasificación de los tagnames Memory, I/O e Indirect………………..189

Tabla 6.5. Tipos de Alarmas y Eventos del Sistema………………………………….191

Tabla 6.6. Parámetros de configuración de las Alarmas y Eventos…………………..192

Tabla 6.7. Parámetros de configuración de la herramienta de Tendencias históricas...193

Tabla 6.8. Parámetros de ajuste de la herramienta de Tendencias históricas…………194

Tabla 6.9. Convención para el manejo de direcciones en el protocolo MODBUS…...197

CAPÍTULO 7. SIMULACIÓN Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

Tabla 7.1. Análisis de Resultados. Sistema de Control de Nivel……………………...205

Tabla 7.2. Análisis de Resultados. Sistema de Control de Flujo……………………...206

Tabla 7.3. Inversión Inicial. Implementación de equipo en el proceso……………….210

Tabla 7.4. Inversión Inicial. Tablero de Control……………………………………...211

Tabla 7.5. Inversión Inicial. Tablero de Control……………………………………...212

Tabla 7.6. Inversión Inicial. Desarrollo HMI y comunicación……………………….213

Tabla 7.7. Inversión Inicial. Implementación y capacitación………………………...214

Tabla 7.8. Inversión Inicial. Total General…………………………………………...214

Tabla 7.9. Análisis de Detalle en Beneficios…………………………………………215

Tabla 7.10. Análisis de Retorno de Inversión: Primer Escenario…………………….217

Tabla 7.11. Análisis de Retorno de Inversión: Segundo Escenario…………………..218

Tabla 7.12. Análisis de Retorno de Inversión: Tercer Escenario…………………….219

HOJAS TÉCNICAS DE

LOS DISPOSITIVOS

ÍNDICE DE HOJAS TÉCNICAS

CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE TWIDO……………………………. 1

ESPECIFICACIONES DE HARDWARE DEL TWD LCAA 24DRF………………….... 1

Características Generales………………………………………………………………….. 1

Alimentación………………………………………………………………………………. 2

Comunicaciones…………………………………………………………………………… 3

Características de las entradas……………………………………………………………...4

Características de las salidas………………………………………………………………. 5

Módulo mixto de E/S analógico TWD AMM 6HT……………………………………….. 7

Características del cable de comunicación………………………………………………... 9

Funciones Especiales del Controlador…………………………………………………… 10

ESPECIFICACIONES DE SOFTWARE: TwidoSuite...…................................................12

Objetos en el Lenguaje Twido…………………………………………………………….12

Objetos de bit……………………………………………………………………………...12

Objetos de palabra………………………………………………………………………...14

Objetos de palabras dobles y constantes dobles…………………………………………..17

Formatos para direccionamiento………………………………………………………….18

Estructura de la memoria de aplicación…………………………………………………..22

Tipos de almacenamiento en memoria…………………………………………………...22

Elementos gráficos del lenguaje Ladder………………………………………………….24

Consejos sobre programación en Ladder…………………………………………………26

CONFIGURACIÓN DEL CONTROLADOR……………………………………………27

UNIDAD DE CONTROL PROPORCIONAL ELECTRÓNICA ASCO 8908……..29

Características……………………………………………………………………………29

Características Eléctricas………………………………………………………………...29

Dimensiones……………………………………………………………………………. 30

Selección de la señal de control………………………………………………………… 31

Esquema de Cableado…………………………………………………………………... 31

Diagrama de Voltaje- Corriente Vs. Tiempo………………………………………….. 32

BOMBA PARA APLICACIONES MARINAS (BILGE PUMP) Rule360…………33


Características de funcionamiento……………………………………………………….33

Certificaciones…………………………………………………………………………...33

Especificaciones…………………………………………………………………………34

Diagrama de conexión…………………………………………………………………...34

BOMBA SUMERGIBLE SPRINGBRUNNEN FP12V-18 Y FP12V-28……………35

Características…………………………………………………………………………... 35


Características de Funcionamiento……………………………………………………...36

INTERRUPTORES DE NIVEL PARA LÍQUIDO SERIES F7…………………….37

Características…………………………………………………………………………....37


Dimensiones y montaje………………………………………………………………….38

Datos Físicos…………………………………………………………………………….38

SENSOR DE FLUJO RECHNER SW-600-G1/2”/28………………………………..39


Posición de montaje……………………………………………………………………...40

Ajuste…………………………………………………………………………………….41

Características Técnicas………………………………………………………………….41

Dimensiones……………………………………………………………………………...42

Diagrama de conexiones………………………………………………………………....42

HOJAS TECNICAS 1

CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE TWIDO TWD LCAA 24DRF

ESPECIFICACIONES DE HARDWARE

Características Generales

Temperatura ˚C Operación: 0…+55

Almacenamiento: - 25…+ 70

Humedad Relativa 30 a 95 %, sin condensación

Grado de Protección IP20

Altitud m Operación: 0…2000

Almacena.: 0…3000

Hz 10…57, amplitud 0.075mm,

aceleración 57…150 Hz

Resistencia a la vibración

(montado en riel)

m/s2 9.8 (1gn)

Resistencia al choque m/s2 147(15gn) por 11ms

Peso Kg 0.305

Características del controlador de base compacta No. Ref. TWD LCAA 24DRF

Número de entradas 24VDC 14

Número y tipo de salidas 10 relay

Tipo de conexión de I/O Bloque no removible de Terminal tipo

tornillo

Módulos de expansión

• Máximo número de

módulos

4

• Máximo número de

I/O

88

• AS – Interface

Manejo en modo esclavo: 62 discreto, 7

análogo

Capacidad de la memoria 3000 instrucciones

Tiempo de Ciclo

• Tiempo de

procesamiento

1 por 1000 instrucciones lógicas

• Sistema en general

ms

0.5

HOJAS TECNICAS 2

Memoria

• Bits internos

128

• Palabras internas 3000

• Timers 128

• Contadores 128

• Palabras Dobles

Si

Alimentación

Voltaje

• Nominal

~ 100…240

• Limite (incluyendo

fluctuación)

VAC

~85…264

Frecuencias Nominal/Limite Hz 50-60/47-63

Salidas de 24 V para sensores mA 250

Corriente

• Corriente entrada

nominal Irms ~ 85V

0.45

• Corriente de

irrupción

A

40

Duración de los microbreaks ms 10 max

Protección Por fusible interno

Consumo máximo a ~ 110V VA 33

Fuerza dieléctrica

• Entre alimentación y

terminales de tierra

1500 – 50/60Hz por 1 minuto

• Entre I/O y


Vrms

Vrms 1500 – 50/60Hz por 1 minuto

Resistencia de aislamiento

• Entre alimentación y


> 10 (500VDC)

• Entre I/O y


MΩ

> 10 (500VDC)

HOJAS TECNICAS 3

Comunicaciones

Conexiones integradas

• Enlace serial: Tipo

1 x RS485 enlace serial, sin aislamiento

A 38.4Kbit/s

Protocolo -Puerto terminal Half-duplex

-Modbus master/slave RTU/ASCII o modo

de caracteres

-Modo “Remote Link” descentralizado E/S

(Controladores Twido usan para

extensiones E/S)

Conexión

Conector mini-DIN de 8 vías

Conexiones vía adaptador o

módulos de comunicación

• Enlace serial: Tipo

Un adaptador RS-232C o RS-485

De 1.2….38.4Kbit/s

Conexión Mini DIN o bloque Terminal(solo RS-485)

• AS-Interface: Tipo 1 o 2 módulos master (direccionamiento

Standard y extendido), 62 esclavos

Conexión Terminal de bloque tipo tornillo removible

• CANopen: Tipo 1 módulo master (clase M10) ,

125…500kbit/s , 16 esclavos máximo

• Ethernet TCP/IP 1 Módulo de interfase con Puerto Twido

10BASE-T/100BASE-TX

Conexión Conector RJ45. Remplaza al módulo que

conecta vía RS-485

Características generales del controlador Twido

HOJAS TECNICAS 4

Características de las entradas

Número de canales de entrada 14

Voltaje de entrada nominal V 24VDC (entrada en común positivo o en

común negativo)

Comunes 1

Rango de Voltaje de entrada V 20.4…28.8VDC

Corriente de entrada nominal 11mA para I0.0 e I0.1

7mA para otras entradas I0.i

Impedancia de entrada 2.1KΩ para I0.0 y I0.1

3.4 KΩ para otras entradas I0.i

Tiempo de filtrado

• En estado 1

35μs + tiempo programado de filtro para

I0.0…I0.5


otras entradas I0.i

• En estado 0 45μs + tiempo programado de filtro para

I0.0…I0.5


otras entradas I0.i

Aislamiento:

• Entre canales

Ninguno

• Entre canales y

lógica interna

Vrms

~1500 por 1 min

Características de las salidas

Número de canales de salida 10 relay

Corrientes de salida

• Nominal

2 por canal

8 por común

• Aumento por canal

A

5 máx

Características de las entradas del controlador Twido

HOJAS TECNICAS 5

Características de las salidas

Comunes:

• Común 0

4 Contactos N/A

• Común 1 4 Contactos N/A

• Común 2 1 Contactos N/A

• Común 3

1 Contactos N/A

Mínima carga de conmutación mA 0.1 por 0.1 VDC (valor de referencia)

Resistencia de contacto mΩ 30 max.

Salidas de carga en el relay

• Resistiva

• Inductiva con

protección del

disp.(válvulas solen.)

A 2 A ~ 240 V o 2 A 30VDC (con 1800

operaciones por hora max.)

-Vida eléctrica mínima: 1x105 operaciones

-Vida mecánica mínima: 1x106 op.

• Inductiva sin

protección del disp.

• Capacitiva (FESTO,

drivers, arranques)

Uso de las salidas del relay no

garantizadas (reducción en la vida). Para

este tipo de aplicaciones es recomendable

utilizar salidas de tipo transistor.

Voltaje de aislamiento entre

los canales y la lógica interna

Vrms

~ 1500 por un min

Consumo para todas las

salidas:

• En estado 0 : 5VDC

24VDC

mA

5

-


24VDC

mA

36

55


+ Entradas en ON 24VDC

mA

-

-

Características de las salidas del controlador Twido

HOJAS TECNICAS 6

Descripción del Controlador compacto TWD LCAA 24DRF

Configuración del controlador con base compacta No. Ref. TWD LCAA 24DRF

HOJAS TECNICAS 7

Datos generales del módulo mixto de E/S analógico TWD AMM 6HT

Número de canales 4 entradas / 2 salidas

Tipo de entradas / salidas Voltaje/corriente

Conexión Bloque terminal removible tipo tornillo

Rangos de entradas y salidas V

mA

0…10V

4…20mA

Resolución de E/S análogas 12 bits (4096 points)

Tiempo de ciclo ms 64 + 1 tiempo de ciclo del controlador

Alimentación: Externa V 24VDC para los sensores o

preactuadotes (rango de voltaje

20.4…28.8V)

Características de las entradas analógicas del módulo TWD AMM 6HT

Número de canales 4 entradas de nivel alto

Voltaje Corriente Rango

0…10V 4…20mA

Tipo No diferencial Diferencial

Resolución 12 bits

Valor del LSB 2.5mV 4.8μA


Sobrecarga continua

permisible

13VDC 40mA

Impedancia de entrada KΩ 10 mínimo 250 máximo

Máxima duración de muestreo ms 16

Período de adquisición ms 16 + 1 tiempo de ciclo del controlador

Precisión de la medición:

Error total

%PE

±1

Modo común de rechazo -50dB

Cross Talk 2 bits menos significativos máximo

Cableado Recomendado par trenzado

Protección Fotocupla entre las entradas y

el circuito interno

HOJAS TECNICAS 8

Características de las salidas analógicas del módulo TWD AMM 6HT

Número de canales 2 salidas

Voltaje Corriente Rango

0…10V 4…20mA

Resolución 12 bits

Valor del LSB 2.5mV 4.8μA


Carga : Tipo

Resistivo

Impedancia Ω 2000 mínimo 300 máximo

Tiempo de estabilización ms 20

Tiempo de transferencia total

de la salida

ms 20 + 1 tiempo de ciclo del controlador

Alimentación externa V Nominal: 24VDC, Rango: 20.4…28.8

Precisión de la medición:

Error total

%PE

±2

Fuerza dieléctrica entre las

E/S y el circuito de aliment.

Vrms ~ 800

Cross Talk 2 bits menos significativos máximo

Cableado Recomendado par trenzado

Alimentación externa para el

módulo

V Nominal: 24VDC, Rango: 20.4…28.8

Protección Fotocupla entre las entradas y

el circuito interno

Consumo del módulo:

Alimentación interna 5VDC

mA

60

Alimentación externa 24VDC mA 80

Características del módulo de E/S analógicas TWD AMM 6HT

HOJAS TECNICAS 9

Descripción del módulo TWD AMM 6HT

Características del cable de comunicación multifunción TSX PCX 1031

Tipo de conexión Serial RS-485

Tipo de conector Conector macho de 8 pines mini DIN a

conector hembra de 9 pines subD

Operación Conversor que incluye un selector

rotativo de 4 posiciones para seleccionar

diferentes operaciones

Longitud de cable m 2.5

Temperatura de operación ˚C 0…60

Características del cable de comunicación

El cable TSX PCX 1031 es un cable de comunicación multifunción que integra la

conversión de las señales RS-485 en señales RS-232. Garantiza el enlace entre un autómata

y diferentes equipos serie RS-232. Las diferentes funciones del modo serie se definen

siguiendo la posición del selector al que se puede acceder desde la caja del convertidor.

Posición

Selector

Función Señal

/DPT

Señal

RTS

0 TER MULTI.- Enlace de modo punto a punto o

multipunto. Fuerza conector Terminal en modo

master, protocolo predeterminado (sustituye el cable

referenciado TSX PCU 1031).

1

Si

HOJAS TECNICAS 10

Posición

Selector

Función Señal

/DPT

Señal

RTS

1 OTHER MULTI.- Enlace en modo multipunto.

Demás tipos de comunicación.

0

Si

2 TER MULTI.- Enlace de modo punto a punto.

Fuerza conector terminal en modo master, protocolo

predeterminado.

1

No

3 OTHER DIRECT.- Enlace de modo punto a punto.

Demás tipos de comunicación definidos por la

configuración del autómata.

0

No

Funciones integradas en el cable de comunicación

Configuración de los pines del mini DIN en el Enlace Serial

Funciones Especiales del Controlador TWIDO TWDLCAA24DRF

El controlador tiene preasignado como digitales, a todas sus E/S. Sin embargo,

ciertas E/S pueden ser asignadas a tareas específicas durante su configuración:

• Entrada de Arranque/Parada

• Entradas de conmutación(Latching)

HOJAS TECNICAS 11

• Contadores rápidos:

• Contadores simples Up/Down: 5Khz (1 fase)

• Contadores muy rápidos de Up/Down: 20Khz (2 fases)

• Controlador del estatus de salidas

• Modulación por ancho de pulso (PWM)

• Generador de pulso de salida (PLS)

Los controladores pueden ser programados en el software de aplicación TwidoSoft o

TwidoSuite, en los cuales se puede establecer los parámetros de las funciones PWM, PLS,

contadores rápidos y muy rápidos y funciones para control PID y PID auto-ajustable

(Auto-Tuning).

Función Descripción

Escaneo Normal (cíclico) o periódico(constante)

De 2 a 150 ms

Tiempo de ejecución 0.14 μs a 0.9 μs por lista de instrucción.

Capacidad de memoria Datos: 3000 palabras de memoria

En programa: 3000 listas de

instrucciones

Almacenamiento del RAM Por batería interna de litio. Duración

típica aproximada de 30 días a 25˚C

cuando la batería esta cargada por

completo. El tiempo aproximado de

carga es de 15 horas para llegar hasta el

90% de la carga total. El tiempo de vida

de la batería es de 10 años. La batería no

puede ser reemplazada

Puerto de programación EIA RS-485. Opción de integración del

puerto RJ45 para comunicación Ethernet

Módulos de expansión de E/S Hasta 4 módulos de expansión E/S

Módulos para AS-Interface Hasta 2 módulos para AS-Interface

Módulos para bus de campo CANopen Hasta 1 módulo CANopen

HOJAS TECNICAS 12

Función Descripción

Comunicación de enlace remoto Máximo hasta 7 esclavos para E/S

remota o controladores par.

Máxima longitud de la red: 200m

Comunicación Modbus EIA RS-485, máxima longitud de 200m,

en modo ASCII o RTU

Comunicación Ethernet Por medio del módulo de interfase

Ethernet 100Base-TX sobre protocolo

TCP/IP con puerto RJ45

Comunicación ASCII Protocolo Half-duplex a equipo

Funciones del controlador Twido

ESPECIFICACIONES DE SOFTWARE: TwidoSuite

Objetos en el Lenguaje TWIDO

Los objetos de bit y de palabra son válidos si se les ha asignado espacio de memoria

en el autómata. Para ello, deben utilizarse en la aplicación antes de descargarlos en el

autómata. El rango de objetos válidos oscila entre cero y la referencia máxima para ese tipo

de objeto. Por ejemplo, si la referencia máxima de la aplicación para palabras de memoria

es %MW9, entonces se asignará el espacio de %MW0 a %MW9, %MW10 no es válido y

no se puede acceder a él ni interna ni externamente.

Objetos de bit. Los objetos de bit son variables de software de tipo bit que pueden

utilizarse como operandos y verificarse mediante instrucciones booleanas. Los objetos de

bit disponibles dentro del controlador son los siguientes:

• Bits de E/S.

• Bits internos (bits de memoria).

• Bits de sistema.

• Bits de pasos.

• Bits extraídos de palabras.

HOJAS TECNICAS 13

En la siguiente tabla se enumeran y se describen todos los objetos de bit que se

utilizan como operandos en instrucciones booleanas.

Tipo Descripción Dirección

o Valor

Número

máximo

Acceso

de

escritura

(1)

Valores

inmediatos

0 ó 1 (False o True) 0 ó 1 - -

Entradas

Salidas

Estos bits son las "imágenes

lógicas" de los estados eléctricos

de las E/S. Se almacenan en la

memoria de datos y se actualizan

durante cada exploración de la

lógica del programa

%Ix.y.z

%Qx.y.z

14

10

No

Sí

Interna

(memoria)

Los bits internos son áreas de

memoria interna utilizadas para

almacenar valores intermedios

durante la ejecución de un

programa.

Nota: Los bits de E/S no

utilizados no pueden emplearse

como bits internos

%Mi

256

Sí

Sistema Los bits de sistema de %S0 a

%S127 supervisan el

funcionamiento correcto del

autómata y la correcta ejecución

del programa de aplicación

%Si

128

Según i

HOJAS TECNICAS 14

Tipo Descripción Dirección

o Valor

Número

máximo

Acceso

de

escritura

(1)

Bloques de

función

Los bits de bloque de función

corresponden a las salidas de los

bloques de función. Estas salidas

pueden estar conectadas

directamente o utilizarse como un

objeto

%TMi.Q,

%Ci.P,

etc.

Varía

según

bloque

de

función

No

Bloques de

función

reversibles

Bloques de función programados

mediante las instrucciones de

programación reversibles BLK,

OUT_BLK y END_BLK

E, D, F,

Q,

TH0, TH1

Varía

según

bloque

de

función

No

Extractos

de

palabras

Uno de los 16 bits de algunas

palabras puede extraerse como bit

de operando

Variable

Variable

Variable

Pasos

Grafcet

Los bits de %X1 a %Xi están

asociados a pasos Grafcet. El bit

de pasos Xi se establece en 1

cuando el paso correspondiente

está activo; en cambio, se

establece en 0 cuando el paso se

desactiva

%Xi

96

Sí

(1)Escrito por el programa o mediante el Editor de tablas de animación.

Tabla de bits de operandos

Objetos de palabra. Objetos de palabra direccionados en forma de palabras de 16 bits,

almacenados en la memoria de datos y que pueden contener un valor entero de entre -

32.768 y 32.767 (excepto para el bloque de función de contador rápido, que está entre 0 y

65.535). El controlador maneja los siguientes objetos de palabra:

HOJAS TECNICAS 15

• Valores inmediatos.

• Palabras internas (%MWi) (palabras de memoria).

• Palabras constantes (%KWi).

• Palabras de intercambio de E/S (%IWi, %QWi%).

• Palabras de sistema (%SWi).

• Bloques de función (datos de tiempo de ejecución o configuración).

El contenido de las palabras o los valores se almacena en la memoria de usuario en

código binario de 16 bits (complemento de dos) mediante la convención que se sigue a

continuación.

Convención de almacenamiento de objetos de palabra

En la notación binaria con señal, el bit 15 se asigna por convención a la señal del

valor codificado.

• El bit 15 se establece en 0: el contenido de la palabra es un valor positivo.

• El bit 15 se establece en 1: el contenido de la palabra es un valor negativo (los

valores negativos se expresan en lógica de complemento de dos).

Las palabras y los valores inmediatos pueden introducirse o recuperarse en los

formatos siguientes:

• Decimal Mín.: -32.768, máx.: 32.767

• Hexadecimal Mín.: 16#0000, máx.: 16#FFFF

• Las reglas de formato ASCII son las siguientes:

• La función siempre lee primero el byte más significativo.

• Todo carácter ASCII que se encuentre fuera del intervalo ['0' - '9'] ([16#30 -

16#39]) se considera un carácter de fin, excepto en el caso de un signo menos '-'

(16#2D) cuando se coloca como primer carácter.

HOJAS TECNICAS 16

• En caso de desborde (>32767 o <-32768), el bit del sistema %S18 (desborde

aritmético o error) se establece en 1 y se devuelve el valor 32767 o -32768.

• Si el primer carácter de un operando es un carácter de "fin", se devuelve el valor

0 y el bit %S18 se establece en 1.

En la siguiente tabla se enumeran y se describen todos los objetos de palabra que se

utilizan como operandos en instrucciones booleanas.

Tipo

Descripción Dirección o

Valor

Número

máximo

Acceso

de

escritura

(1)

Se trata de valores enteros

expresados en el mismo formato

que las palabras de 16 bits, lo

que permite que los valores se

puedan asignar a estas palabras.

Base 10 De 32.768

a32.767

Valores

inmediatos

Base 16

De 16#0000

a 16#FFFF

-

No

Interna

(memoria)

Palabras empleadas para

almacenar valores durante la

operación en la memoria de

datos.

%MWi 3000 Sí

Constantes Almacenan constantes o

mensajes alfanuméricos. Su

contenido sólo se puede escribir

o modificar mediante

TwidoSuite durante la

configuración.

%KWi

256

Sí, sólo

mediante

Twido

Suite

HOJAS TECNICAS 17

Tipo


Valor

Número

máximo

Acceso

de

escritura

(1)

Sistema Estas palabras de 16 bits ofrecen

diversas funciones:

• Proporcionan acceso a los

datos que proceden

directamente del autómata

mediante la lectura de las

palabras %SWi.

• Realizan operaciones en la

aplicación (por ejemplo, el

ajuste de fechadores).

%SWi

%SWi

128

128

Según i

Según i

Bloques de

función

Estas palabras corresponden a

los valores o parámetros actuales

de los bloques de función.

%TM2.P,

%Ci.P, etc.

Sí

Entradas analógicas. %IWAx.y.z Variable No Palabras de

E/S

analógicas

Salidas analógicas. %QWAx.y Variable Sí

Es posible extraer uno de los 16

bits de las palabras siguientes:

Interno %MWi:Xk 1500 Sí

Sistema %SWi:Xk 128 Depende i

Constantes %KWi:Xk 64 No

Entrada %IWi.j:Xk Variable No

Bits

extraídos

Salida %QWi.j:Xk Variable Sí (1)Escrito por el programa o mediante el Editor de tablas de animación

Tabla de palabras de operandos

Objetos de palabras dobles y constantes dobles. Una palabra de entero doble está

formada por cuatro bytes almacenados en la memoria de datos y contienen un valor

HOJAS TECNICAS 18

comprendido entre -2.147.483.648 y +2.147.483.647. En la tabla siguiente se describen los

objetos de palabra doble.

Tipo


Valor

Número

máximo

Acceso

de

escritura

(1)

Valores

inmediatos

Números enteros (palabra doble)

o decimales (coma flotante) de

formato idéntico al de los

objetos de 32 bits.

- - No

Palabra

doble

interna

Objetos empleados para

almacenar valores durante la

operación en la memoria de

datos.

%MDi 1500 Sí con

Twido

Suite

Constante

doble

Almacenamiento de las

constantes

%KDi 1500 Sí con

Twido

Suite (1)Escrito por el programa o mediante el Editor de tablas de animación

Tabla de palabras dobles de operandos

Formatos para direccionamiento de objeto bit, palabra, doble palabra y

Entradas/Salidas

Objeto bit. Se utiliza el siguiente formato para direccionar los objetos de bit de pasos,

memoria interna y de sistema.

Formato para direccional objeto de bits

HOJAS TECNICAS 19

Grupo Elemento Descripción

Símbolo % El símbolo de porcentaje siempre precede a una variable de

software

M Los bits internos almacenan valores intermedios mientras se está

ejecutando un programa

S Los bits de sistema proporcionan información de control y de

estado del autómata

Tipo de

objeto

X Los bits de pasos proporcionan información de estado de las

actividades de pasos

Número i El valor numérico máximo depende del número de objetos

configurados

Descripción del direccionamiento de objetos bit

Objeto palabra. Se utiliza el siguiente formato para direccionar los objetos de palabras de

sistema, memoria interna y de constantes.

Formato para direccional objeto de palabras

Existe la posibilidad de extraer uno de los 16 bits de un objeto palabra, tomando en

cuenta la siguiente sintaxis:

Formato para extraer un bit de un objeto de palabra

HOJAS TECNICAS 20


Símbolo % El símbolo de porcentaje siempre precede a una dirección

interna

M Las palabras internas almacenan valores intermedios mientras

se está ejecutando un programa

K Las palabras constantes almacenan valores constantes o

mensajes alfanuméricos. Su contenido sólo puede escribirse o

modificarse utilizando TwidoSuite

Tipo de

objeto

S Las palabras de sistema proporcionan información de control y

de estado del autómata

Sintaxis W Palabra de 16 bits


configurados

Descripción del direccionamiento de objetos de palabra

Objeto palabra doble. Se utiliza el siguiente formato para direccionar los objetos de

palabras dobles internas y constantes.

Formato para direccional objeto de palabras dobles

Símbolo % El símbolo de porcentaje siempre precede a una dirección

interna

M Las palabras dobles almacenan valores intermedios mientras se

está ejecutando un programa

Tipo de

objeto

K Las constantes dobles almacenan valores constantes o

mensajes alfanuméricos. Su contenido sólo puede escribirse o

modificarse utilizando TwidoSuite

HOJAS TECNICAS 21


Sintaxis D Palabra de 32 bits


configurados

Descripción del direccionamiento de palabras dobles

Entradas/Salidas. Cada punto de entrada/salida de una configuración Twido tiene una

dirección exclusiva. Por ejemplo, la dirección "%I0.0.4" representa la entrada 4 de un

autómata. Las direcciones de E/S pueden asignarse para el siguiente hardware:

• Autómata configurado como master de conexión remota

• Autómata configurado como E/S remotas

• Módulos de E/S de ampliación

Grupo Elemento Valor Descripción

Símbolo % - El símbolo de porcentaje siempre precede a una

dirección interna

I

-

Entrada. La "imagen lógica" del estado eléctrico de un

autómata o entrada del módulo de E/S de ampliación

Tipo de

objeto

Q

-

Salida. La "imagen lógica" del estado eléctrico de un

autómata o salida del módulo de E/S de ampliación

Posición

del PLC

x

0

1 - 7

Autómata master (master de conexión remota)

Autómata remoto (slave de conexión remota).

Tipo de

E/S

y

0

1 - 7

Base del módulo de E/S (E/S locales del autómata)

Módulos de E/S de ampliación

Número

de

canal

z

0 - 31

Número de canal de E/S en el autómata o en el

módulo de ampliación de E/S. El número de puntos de

E/S depende del modelode autómata o del tipo de

módulo de E/S de ampliación

Descripción del direccionamiento de Entradas/Salidas del Autómata

HOJAS TECNICAS 22

Estructura de la memoria de aplicación

La memoria del autómata a la que se accede mediante la aplicación está dividida en

partes diferentes, valores de bit, valores de palabra (valores de 16 bits con señal) y valores

de palabra doble (valores de 32 bits con señal). La memoria de bits se encuentra en la

RAM integrada en el autómata y contiene el mapa de 128 objetos de bit.

La memoria de palabras admite de tipo dinámicas, donde la memoria en tiempo de

ejecución almacenada en RAM solamente. Además contiene Palabras de memoria,

palabras dobles, descriptores de programa, el código ejecutable para tareas y los datos de

configuración del autómata.

Tipos de almacenamiento en memoria

• Memoria de acceso aleatorio (Random Access Memory). Esta es una memoria

volátil interna, contiene palabras dinámicas, palabras de memoria, programa y

datos de configuración.

• EEPROM de 32 KB integrada. Proporciona una copia de seguridad interna de

los datos y del programa. Protege el programa contra los daños provocados por

fallos de batería o cortes de alimentación de más de 30 días. Contiene el programa

y los datos de configuración. Abarca un máximo de 512 palabras de memoria. No

se realiza una copia de seguridad del programa si se utiliza un cartucho de memoria

ampliada de 64 KB y el dispositivo Twido se ha configurado para aceptar dicho

cartucho de memoria ampliada de 64 KB.

• Cartucho de copia de seguridad de 32 KB. Externo, opcional y utilizado para

guardar un programa y transferirlo a otros autómatas Twido. Se puede utilizar para

actualizar el programa en la memoria RAM del autómata. Contiene el programa y

las constantes, pero ninguna palabra de memoria.

• Cartucho de memoria ampliada de 64 KB. Externo, opcional, que almacena un

programa de hasta 64 KB. Debe permanecer conectado al autómata mientras se

utiliza dicho programa.

HOJAS TECNICAS 23

Las palabras de memoria y el programa del autómata se pueden guardar en RAM

hasta 30 días si la batería se encuentra en buen estado. El programa se transfiere

automáticamente de la memoria EEPROM a la memoria RAM cuando se pierde el

programa en esta o si no hay batería. También se puede realizar una transferencia manual

mediante TwidoSuite.

Mediante la memoria EEPROM interna del autómata, puede realizarse una copia de

seguridad de los datos de configuración, las palabras de memoria y los programas Twido.

Dado que al guardar un programa en la EEPROM interna se eliminan todas las palabras de

memoria copiadas previamente, en primer lugar debe realizarse la copia de seguridad del

programa, y luego, de las palabras de memoria configuradas. Los datos dinámicos pueden

almacenarse en palabras de memoria, y luego puede realizarse una copia de seguridad de

los mismos en EEPROM. Si no hay ningún programa guardado en la EEPROM interna, no

será posible guardar palabras de memoria en ella.

A continuación se incluye un diagrama de la estructura de memoria de un autómata.

Las flechas indican qué elementos pueden copiarse en EEPROM desde la memoria RAM.

Estructura de la memoria

HOJAS TECNICAS 24

Elementos gráficos del lenguaje Ladder

Nombre Elemento gráfico Función

Contacto normalmente

abierto Establece contacto cuando el objeto de

bit de control está en estado 1

Contacto normalmente

cerrado Establece contacto cuando el objeto de

bit de control está en estado 0

Contacto para detectar

un flanco ascendente

Flanco ascendente: detecta el cambio

de 0 a 1 del objeto de bit de control

Contacto para detectar

un flanco descendente

Flanco descendente: detecta el cambio

de 1 a 0 del objeto de bit de control

Insertar una conexión

Insertar un bucle Ladder vacío

Eliminar una conexión

Eliminar un bucle Ladder vacío.

Nota: 1. Si el bucle Ladder contiene

cualquier elemento, en primer lugar

debe eliminar todos los elementos

Ladder antes de eliminar el bucle

2. El acceso directo del teclado

utilizado para eliminar un elemento es

Supr

Bobina directa

El objeto de bit asociado toma el valor

del resultado del área de comprobación

Bobina inversa

El objeto de bit asociado toma el valor

del resultado en negativo del área de

comprobación

Establecer bobina

El objeto de bit asociado se establece

en 1 cuando el resultado del área de

comprobación es 1

Restablecer bobina

El objeto de bit asociado se establece

en 0 cuando el resultado del área de

comprobación es 1

HOJAS TECNICAS 25

Nombre Elemento gráfico Función

Llamada de

subrutina o salto

Se conecta a una instrucción

etiquetada ubicada delante o detrás

Retorno desde una

subrutina Situado al final de las subrutinas para

regresar al programa principal

Detener programa Define el final del programa

Temporizadores,

contadores,

registros, etc.

Cada bloque de función utiliza

entradas y salidas que permiten

conexiones con otros elementos

gráficos.

Nota: Las salidas de los bloques de

función no pueden conectarse entre sí

(conexiones verticales)

Bloque de

comparación

Compara dos operandos y la salida

cambia a 1 cuando se comprueba el

resultado. Tamaño: una fila por dos

columnas

Bloque de

operación

Realiza operaciones aritméticas y

lógicas. Tamaño: una fila por cuatro

columnas

Tabla de elementos gráficos del lenguaje Ladder

Instrucciones Ladder especiales OPEN y SHORT. Las instrucciones OPEN y SHORT

proporcionan un método apropiado para depurar y solucionar posibles problemas en los

programas Ladder. Estas instrucciones especiales alteran la lógica de un escalón, ya sea

acortando o abriendo la continuidad de un escalón, tal como se explica en la tabla

siguiente.

Instrucción Descripción

Al principio del escalón OPEN

En un escalón: establece una interrupción en la continuidad de un

escalón Ladder sin tener en cuenta los resultados de la última

operación lógica

HOJAS TECNICAS 26

Instrucción Descripción

Al principio del escalón SHORT

En un escalón: permite la continuidad a través del escalón sin tener

en cuenta los resultados de la última operación lógica

Instrucciones Especiales del Lenguaje Ladder

Consejos sobre programación en Ladder

Tratamiento de los saltos de programa. Utilizar los saltos de programa con precaución

para evitar bucles largos que prolonguen el tiempo de ciclo. Evitar los saltos en las

instrucciones ubicadas detrás, donde aparece una instrucción delante antes de un salto en

un programa.

Programación de salidas. Los bits de salida, al igual que los bits internos, sólo se deben

modificar una vez en el programa. En el caso de los bits de salida, sólo se tiene en cuenta

el último valor examinado cuando se actualizan las salidas.

Utilización de los sensores de parada de emergencia de cableado directo. Se

recomienda que loa sensores utilizados directamente para paradas de emergencia no se

procesen por el autómata, sino directamente a las salidas correspondientes. En el caso del

diseño para el sistema de reciclaje de agua se utiliza la parada de emergencia dentro de la

lógica del programa, porque las fuentes de alimentación para las salidas son de diferentes

características.

Tratamiento de recuperación de la alimentación: Es recomendable que la recuperación

de la alimentación dependa de una operación manual. Un reinicio automático puede

provocar un funcionamiento no deseado de la instalación (utilizar los bits de sistema %S0,

%S1 y %S9).

Comprobación de errores y sintaxis: Cuando se introduce un programa, TwidoSuite

comprueba la sintaxis de las instrucciones, los operandos y sus asociaciones.

HOJAS TECNICAS 27

CONFIGURACIÓN DEL CONTROLADOR

Esquemas de cableado para alimentación, entradas y salidas. El esquema de cableado

para la alimentación de la base TWDLCAA24DRF es el siguiente:

Esquema de cableado para la alimentación

El cableado para las entradas digitales tienen dos tipos de esquemas, como entrada de

corriente continua de común negativo y como entrada de corriente continua de común

positivo.

Entrada de común Positivo Entrada de común negativo

Esquema de cableado para entradas del controlador

El esquema de cableado para salidas a relay es el siguiente:

HOJAS TECNICAS 28

Esquema de cableado para salidas del controlador

El esquema de conexión para el módulo mixto de entradas/salidas analógicas

TWDAMM 6HT tiene configuración para entradas/salidas en voltaje y en corriente, como

se indica en la siguiente figura:

a) Configuración en voltaje b) Configuración en corriente

Esquema de cableado para módulo de E/S analógicas del controlador

a) Configuración en voltaje. b) Configuración en corriente

HOJAS TECNICAS 29

UNIDAD DE CONTROL PROPORCIONAL ELECTRÓNICA

SERIE 8908

Características

• Convierte las entradas de las señales de control analógicas a señales para el

manejo del actuador mediante modulación por ancho de pulso.

• Función de desconexión al menos luego del 2% de la señal de control máxima

• Rampa de control ajustable.

• Corriente de salida independiente de la resistencia de la bobina del actuador y de

las variaciones de la fuente de voltaje.

• Corriente de bobina ajustable dependiendo del requerimiento de la señal de control.

• El circuito de control esta integrado mediante un terminal de conexión de acuerdo a

la normativa ISO 4400, forma A, DIN 43650, 11mm, estándar industrial B.

Características Eléctricas

Voltaje Nominal: 12VDC

Corriente Máxima: 1100mA

Cables de conexión: Diámetro del cable de 6 – 10 mm

Especificaciones del conector: ISO 4400 / EN 175301-803 , forma A

Seguridad eléctrica: IEC 335

Protección eléctrica: IP 65

Tiempo de rampa: Selección on/off, ajustable de 0,1 – 3 segundos

Frecuencia ajustable: 40 – 700 Hz

HOJAS TECNICAS 30

Señal de control de entrada Corriente a

máxima carga

(IFL) Uc Icx Ic

Potencia de

consumo

(electrónica)

Rango de

temperatura

de trabajo

(mA) (V) (mA) (mA) (W) ( ºC )

1100 0 - 10 0 - 20 4 – 20 0.8 -10 a 75

Dimensiones (mm), peso (kg)

HOJAS TECNICAS 31

Selección de la señal de control

La señal de control requerida se obtiene ajustando los dipswitches S1, S3 y S4. El valor de

fábrica es de 0 – 10 VDC.

S1 S2 S3 S4 Señal de control

Off Rampa On Off 0 – 10V DC

On Rampa Off On 4 – 20 mA

On Rampa On Off 0 – 20 mA

Esquema de Cableado

HOJAS TECNICAS 32

Diagrama de Voltaje- Corriente Vs. Tiempo

HOJAS TECNICAS 33

BOMBA PARA APLICACIONES MARINAS (BILGE PUMP)

MODELO 24 360GPH

Características

• Totalmente sumergible

• Fácil de limpiar con filtro de enganche que se asegura en su carcasa.

• Operación silenciosa y con menos vibración

• Motor de larga vida compacto y eficiente

• Protección para arranque

• No existe recalentamiento cuando trabaja en vacío

• Protección contra oxidación y corrosión

• Bloque de cableado para grado marino

Características de funcionamiento

13.6 V 12.0 V

GPH @ Flujo abierto 360 330

GPH @ a una elevación de 1.02 m 265 240

GPH @ a una elevación de 2.04 m 190 150

Corriente máxima (A) 2.5 2.1

Certificaciones

• Equipo aceptado por la NMMA # 704180

• Certificado IMCI – ISO 8849

• Certificado CE

• UPC código 0-42237-08345-6

HOJAS TECNICAS 34

Especificaciones

Tamaño de fusible 2.5A

Tubería de descarga ¾” , 19 mm

Terminación de descarga Tipo púa para manguera

Modelo 24 @ 360GPH

Material de carcasa ABS

Material de filtro ABS

Material del eje Acero inoxidable

Material del impulsor Nylon

Material de sellado Nitril/Teflon

Límite de temperatura 93ºC

Tiempo de vida típico 1500 horas

Longitud de cable 74 cm

Tipo de Cable Flexible AGW 16

Peso 9 oz

Largo 8.9 cm

Ancho 6 cm

Profundidad 6 cm

Numero de parte de filtro Parte M275

Diagrama de conexión

Mantener todos los cables de conexión lo más alto posible del nivel de agua. Utilizar

recubrimientos para el cableado para evitar corrosión y deterioro.

HOJAS TECNICAS 35

BOMBA SUMERGIBLE SPRINGBRUNNEN

MODELOS FP12V-18 Y FP12V-28

Características

• Bomba sumergible

• Filtro asegurado a la carcasa

• Operación silenciosa

• Base de ajuste a la superficie de contacto

• Transformador 110VAC/12VAC 1.5ª

Especificaciones

Modelo FP12V-18 FP12V-28

Voltaje de Operación 12VAC 12VAC

Tubería de descarga ½” ½”

Potencia de consumo 18W 28W

Elevación de descarga 1.4 m 1.6 m

Caudal máximo 238GPH 317GPH

Terminación de descarga Tipo rosca Tipo rosca

Material de carcasa Plástico Plástico

Material de filtro Plástico Plástico

Material del eje Acero inoxidable Acero inoxidable

Material del impulsor Plástico Plástico

http://www.globalpez.com/product_info.php/cPath/51/products_id/517?osCsid=ca6d83e05eb7d24d95810d3ed014f22e

HOJAS TECNICAS 36

Características de Funcionamiento

Límite de temperatura 80ºC 80ºC

Longitud de cable 3 m 3 m

Tipo de Cable AGW 16 aislado con

vaina de caucho

cloropreno

AGW 16 aislado con

vaina de caucho

cloropreno

Peso 15 oz 15 oz

Largo 20 cm 25 cm

Ancho 14 cm 14 cm

Profundidad 15 cm 15 cm

HOJAS TECNICAS 37

INTERRUPTORES DE NIVEL PARA LÍQUIDO SERIES F7

MODELO F7- BT

Características

• Provee control de nivel de líquido simple y de bajo costo en tanques o recipientes

similares

• Los rangos de conmutación son variables para todas las aplicaciones de los

sistemas de control en estado sólido, monitoreo y alarmas

• Para aplicaciones que requieren mayor corriente pueden utilizarse simples

interfases con relays.

• Montaje vertical

• Dos acciones de conmutación en su montaje: normalmente abierto o normalmente

cerrado

• Boquilla herméticamente sellada que actúa por la acción de magnetos ligados

dentro del flotador y pueden ser fácilmente adaptados para abrir o cerrar circuitos

en niveles altos o bajos.

• Se revierte la acción de conmutación girando el flotador

Especificaciones

Modelo F7 - BT

Alimentación 24 VDC

Corriente máxima 0.28A

Clasificación de áreas peligrosas Clase I, Div 2, Grupos A, B ,C , D

Conexiones de montaje 1/8” NPT (M)

Cables 22 AWG x 46 cm

Magneto Alnico para -BT

Peso 0.7 oz (20 g)

HOJAS TECNICAS 38

Dimensiones y montaje

Número de

modelo

(A) Longitud

de la columna

(B) Diámetro

del flotador

(C) Altura de

flotador

(D) Altura de

actuación

F7-BT 55mm 30mm 25mm 18mm

Datos Físicos

Número de

modelo

Material

Flotador/ Columna

Temp.

Max.

Presión

Max.

Zona muerta

Aprox.

F7-BT Buna –N y epoxy /

Polibutileno -

Terephtalato

105ºC

10 Bar

4 mm

HOJAS TECNICAS 39

SENSOR DE FLUJO RECHNER

MODELO SW-600-G1/2”/28-IL

Características:

• Controla medios líquidos

• Forma constructiva y compacta unida a la sonda montada

• Ajuste de valores límite mediante potenciómetro y una indicación de diodos

luminosos LED (para valores por encima y por debajo del límite) con la salida de

conmutación separada galvánicamente

• Basado en el principio de medición calorimétrica, que se fundamenta en el efecto

físico de cambio de temperatura en el flujo medio del líquido. Estos sensores

contienen una fuente de calentamiento (RH) y una resistencia de medida que

depende de la temperatura (RM1). Una segunda resistencia de medición (RM2)

monitorea la temperatura del medio y compensa el valor de medida de flujo durante

las variaciones de temperatura.

Principio de funcionamiento del sensor de flujo

HOJAS TECNICAS 40

Posición de montaje

La función de los sensores de flujo es independiente de su posición. A fin de evitar

mensajes incorrectos debido a las turbulencias en el medio, se beberá respetar una distancia

mínima de 3 x el diámetro del tubo en las zonas con curvaturas, válvulas y otros objetos

parecidos que influyan en la corriente. En los tubos horizontales se recomienda el montaje

desde abajo a fin de evitar mediciones incorrectas causadas por burbujas al producirse

inclusiones de aire. En caso de sedimentaciones fuertes en las puntas del sensor, el montaje

deberá efectuarse lateralmente.

Antes del montaje en la tubería correspondiente deberá asegurarse que el sensor este

envuelto del medio líquido. La punta completa del sensor deberá estar introducida en el

tubo como mínimo hasta el comienzo de la rosca.

Si se desea la mayor sensibilidad posible del sensor, entonces la cruz encastrada sobre la

tuerca de fijación deberá indicar en dirección de la afluencia. Después de enroscar e

impermeabilizar, el sensor ofrece la posibilidad de girar el mango de cable junto con el

cabezal del sensor a fin de conseguir una alineación óptima.

Ajuste

Con el potenciómetro de 270º en el cabezal indicador se puede ajustar el árbol conmutador

que se desee.

Tope de potenciómetro izquierdo = sensibilidad mínima

Tope de potenciómetro derecho = sensibilidad máxima

HOJAS TECNICAS 41

Características Técnicas

Gama de medición 0 – 300 cm/s (0 -150 cm/s) en agua

Reproductividad 1%

Punto de conmutación, histéresis ajustable

Modelo SW-600-G1/2”/28-IL

Número de artículo 544 140

Conexión de proceso G ½”

Tensión de servicio 18…30V DC

Ondulación residual máx. 10%

Salidas analógicas 4(0) – 20mA , 2(0) – 10 V mediante 500 Ω

Salidas de conmutación min., máx. PNP, NPN máx 300mA

Corriente en vacío típica 60mA

Tiempo de reacción 2 s

Gradiente de temperatura 4 K/s

Presión de trabajo 200 bar

Temperatura ambiente permisible 0…70ºC

Indicación LCD display (32 x 16 pixeles), LED rojo/verde

Grado de protección IP 67

Conexión Clavija de enchufe M12 x 1, 5 bornes

Material en contacto con el medio Acero fino No. 1,4571 (V4A)

Armazón Acero fino No. 1,4504 (V2A)

Vidrio Vidrio de mineral templado

Imán Cobalto samario

HOJAS TECNICAS 42

Dimensiones (mm)

Diagrama de conexiones

CERTIFICACIÓN

Se certifica que el presente Proyecto de Grado fue entregado al Coordinador de Carrera de

Ingeniería en Electrónica, Automatización y Control del Departamento de Eléctrica y

Electrónica de la Escuela Politécnica del Ejército, en la fecha escrita en esta certificación.

Sangolquí, 13 de junio del 2008.

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Ing. Víctor Proaño Cristian Vallejo Carpio

COORDINADOR DE CARRERA AUTOR

ESCUELA POLITÉCNICA DEL EJÉRCITO DEPARTAMENTO DE...

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